Способ электронно-лучевой сварки и устройство для его осуществления

51015 20 25 30 35 40 45 50 55 ключом управления, счетчик 17 импульсов и аналого-цифровой преобразователь 18, выход которого через усилитель 19 тока подключен к Фокусирующей линзе 2 электронной пушки 1.Входы обоих фильтров 10 и 11 соединены с переключателем 9. Выходыфильтров 10 и 11 подключены к входамамплитудных детекторов 12 и 13, Выходы амплитудных детекторов 12 и 13соединены с входами блока 14 преобразования сигналов, выход которого соединен с входом триггера 15. Выходтриггера 15 подключен к входу ключауправления генератора 16 импульсов.Блок 14 преобразования сигналов(Фиг. 3) содержит нуль-компаратор 20,вход которого подключен к выходуамплитудного детектора 12, а выход -к входу триггера 15, или содержитдва пуль-компаратора 20 и 21 (фиг,4),подключенные входами к выходам амплитудных детекторов 12 и 13, и логический элемент И, входы которого соединены с выходами нуль-компараторов 20и 21, причем выход логического элемента И 22 подклночен к входу триггера 15, или содержит экстрематоры 23и 24 (Фиг. 5), подключенные входамик выходам амплитудных детекторов 12и 13 и логический элемент 22 И, причем входы логического элемента И 22соединены с выходами экстрематоров23 и 24, а выход логического элемента И 22 подключен к входу триггера 15.фильтр 10 имеет полосу пропускания 200-800 Гц) а Фильтр 1 1 - 2,525,0 кГц. Нуль-компараторы 20 и 21представляют собой пороговые устройства с порогом срабатывания, близкимк нулю. Экстрематоры 23 и 24 могутбыть реализованы по схеме устройствавыделения нуля производной сигналана базе дифференциатора,Способ осуществляется следующимобразом.При сварке в режиме поверхностного расплавления фокусировка электронного луча должна быть зафиксирована при нулевых значениях амплитудсоставляющих с частотами в диапазонах 200-800 Гц и 2,5-25,0 кГц (Фиг.1)В начальный момент процесса сварки по сигналу оператора-сварщикаили программного устройства счетчик1 импульсов устанавливается в нуле-.вое состояние, а триггер 15 - в состояние, при котором сигнал на его выходе открывает ключ генератора 16импульсов, При этом с выхода генератора 16 импульсов на вход счетчика 17импульсов начинают поступать импульсы и на выходе счетчика 17 формируется возрастающий цифровой код, который подается на вход цифроаналогового преобразователя 18. На выходе цифроаналогового преобразователя 18 возникает линейно возрастающее напряжение, преобразуемое усилителем 19 тока в ток фокусирующей линзы 2 элект"ронной пушки 1, При этом происходитизменение фокусировки электронного луча в сторону уменьшения диаметралуча на изделии. Одновременно на входблока 14 преобразования сигналов,а в данном случае - на вход нуль-компаратора 20 (фиг, 3), подается сиг"нал, пропорциональный амплитуде составляющей тока в цепи изделия 4 иликоллектора 3 с частотой в диапазоне200-800 Гц, выделенной фильтром 10и продетектированной амплитудным детектором 12. Наличие этого сигнала при отсутствии сигнала, пропорционального амплитуде составляющей с частотой в диапазоне 2,5-.25,0 кГц, характеризует образование канала при стационарном испарении металла. Поэтому для реализации режима сварки с поверхностным расплавлением без образования канала при появлении сигнала на выходе амплитудного детектора 12 нуль-компаратор 20 формирует сигнал, который переключает триггер 15 в состояние, обеспечивающее за .счет закры" вания ключа прекращение подачи импульсов от генератора 16 на вход счетчика 17. Счетчик 17 фиксирует цифровой код, соответствующий необходимой Фокусировке электронного луча. Соответственно, Фиксируется и значение тока в фокусирующей линзе 2. При этом Фокусировка электронного луча обеспечивает удельную мощность, соответствующую режиму поверхностного расплавления.При сварке в режиме образования канала со стационарным испарением металла Фокусировка электронного луча должна быть зафиксирована при нулевом значении амплитуды составляющей с частотой в диапазоне 2,5- 25,0 кГц и отличном от нуля значении амплитуды составляющей с частотой в диапазоне 200"800 Гц на возрастающем участке зависимости ампли 5 146870 туды составляющей с частотой 200- 800 Гц от тока фокусирующей линзы,1В этом случае как и в предыдущем,5 р фокусирующей линзе 2 электронной пушки 1 формируется возрастающий во времени ток, что приводит к изменению фокусировки электронного луча в сторону уменьшения его диаметра на сва риваемом изделии 4. Одновременно на один из входов блока 14 преобразования сигналов, в данном случае - на вход нуль-компаратора 20 (фиг.4), подается сигнал с выхода амплитуд ного детектора 12, пропорциональный амплитуде составляющей с частотой в диапазоне 200-800 Гц. На другой вход блока 14 преобразования сигналов, в данном случае - на вход нуль компаратора 21, подается сигнал с выхода амплитудного детектора 13, пропорциональный амплитуде составляющей с частотой в диапазоне 2,5-25,0 кГц. При изменении фокусировки луча в сто рону уменьшения его диаметра на изделии сначала появляется сигнал на выходе амплитудного детектора 12, что приводит к срабатыванию нулькомпаратора 20. При этом сигнал на ЗО выходе логического элемента И 22 отсутствует. Дальнейшее изменение фокусировки луча в сторону уменьшения его диаметра на изделии приводит к появлению сигнала на выходе амплитудного детектора 13, Наличие этого сигнала, пропорционального амплитуде составляющей вторичного тока с частотой в диапазоне 2,5-25,0 кГц, и сигнала, пропорционального амплитуде 40 составляющей с частотой 200"800 Гц, характеризует режим сварки с образованием канала при взрывном испарении металла. Поэтому для реализации режима сварки с образованием канала 45 при стационарном испарении металла при появлении на выходе амплитудного детектора 13 сигнала нуль-компаратора 21 формирует сигнал на втором входе логического элемента И 22. Это 5 О приводит к появлению сигнала на выходе логического элемента И 22, переключению триггера 15 и прекращению поступления на вход счетчика 17 импульсов от генератора 16. Счетчик 17 фиксирует цифровой код, соответствующий данной фокусировке луча. При этом фокусировка обеспечивает удельную мощность, соответствующую режиму о6образования канала со стационарнымиспарением металла,При сварке в режиме образованияканала с взрывным испарением металлаФокусировка электронного луча должнабыть зафиксирована при максимальныхзначениях амплитуд составляющих счастотами в диапазонах 200-800 Гц и2,5-25,0 кГц.В этом случае одновременно с изменением фокусировки электронного луча с выходов амплитудных детекторов12 и 13 на входы блока 14 преобразования сигналов, в данном случае - .на входы экстрематоров 23 и 24(фиг. 5), подаются сигналы, пропорциональные амплитудам составляющихс частотами в диапазонах 200-800 Гци 2,5-25,0 кГц. При максимальных значениях амплитуд составляющих срабатывают экстрематоры 23 и 24 и на выходе логического элемента И 22 появляется сигнал, фиксирующий фокусировку электронного луча. При этом фокусировка луча обеспечивает максимапьную удельную мощность луча в зоневзаимодействия с металлом, соответствующую режиму образования каналас взрывным испарением металла.Возможность осуществления фокусировки электронного луча по значениюудельной мощности, соответствующемухарактерным режимам проплавления металла: без образования канала с поверхностным расплавлением, с образованием канала при стационарном испарении металла, с образованием канала при взрывном испарении металла,обусловлена следующим.Составляющая вторичного тока счастотой в диапазоне 200-800 Гц связана с периодическим перемещениемобласти соударения электронного луча с металлом по передней стенке канала проплавления, а составляющаяс частотой в диапазоне 2,5-25,0 кГцявляется следствием взрывного характера процесса испарения металла вобласти воздействия электронного луча. Зависимости амплитуд колебанийобеих составляющих от удельной мощности электронного луча имеют экстремальный характер, причем максимумыобеих кривых соответствуют максимальной удельной мощности электронноголуча в зоне его взаимодействия с ме/таллом, Если рассмотреть укаэанныезависимости на возрастающем участкекривых, т,е. в области от расфокусированного луча до значения острой Фокусировки, то нулевые значения амплитуд обоих составляющих свидетельствуют об отсутствии процессов5 периодического перемещения области соударения луча с металлом и взрывного испарения металла. При этом имеет место режим поверхностного 10 расплавления металла, Гсли амплитуда составляющей,с частотой в диапазоне 200-800 Гц отлична от нуля, а амплитуда состанляющей с частотой в диапазоне 2,5-25,0 кГц равна нулю, то имеет место образование канала с периодическим перемещением области соударения электпонного луча с металлом по погерхпости передней стенки канала. Взрывное испарение металла отсут стнует. При э гом нзаимодейстние электронного луча с металлом протекает н режиме образования канала при стационарном испарении металла. Отличие от нуля амплитуд обеих составляющих 25 свидетельствует о пропланлении металла с образованием канала при взрывном испарении металла (" кинжальное" пропланление металла), В этом случае целесообразна оптимизация режима по 30 максимуму удельной мощности электрон" ного луча н зоне взаимодействия его с металлом, что соотнетстнует максимальным значениям амплитуд обеих состанляощих и максимальному отношению глубины сварного шва к его ширине.Таким образом, значения амплитуд обеих составляющих вторичного тока, который может регистрироваться как н цепи коллектора так и в цепи сна 10 ринаемого изделия, позволяют контролировать все характерные режимы проплавления при электронно-.лучевой сварке и в соответствии с этим осуществлять фокусировку электронноголуча оП р и м е р. Производили проходы электронным лучом по образцам из стали марки 12 Х 18810 Т на установке ЗЛУс энергетическим комплексом УА. Режимы сварки: ускоряющее напряжение 28 кВ, ток луча 180 мА, скорость сварки 5 мм/с, ток фокуси- ровки 60-84 мл. Л процессе совершения проходов с помощью активных по 55 лосоных Фильтров с полосами пропускания 200-800 Гц и 2.,5-25,0 кГц выделяли две составляющие тока в цепи снаринаемого изделия и измеряли их параметры. Сваренные образцы разрезали и по макрошлифам измеряли глубину и ширину швов.Значения частоты, амплитуды обеих составляющих и коэффициентов формы шва (отношения глубины шна к его ширине) приведены в таблице.Было установлено, что при нулевых значениях амплитуд обеих составляющих имеет место режим сварки с поверхностным расплавлением. При нулевом значении амплитуды составляющей с частотой в диапазоне 2,5- 25,0 кГци отличном от нуля значении амплитуды составляющей с частотой в диапазоне 200-800 Гц наблюдается режим образования канала при стационарном испарении металла, а при максимальных значениях амплитуд об их составляющих имеет место образование канала при взрывном испарении металла. Указанные режимы проплавления металла определялись по величине коэффициента формы шва и его геометрии в целом.Обработка параметров одновременно двух составляющих вторичного тока с непересекающимися частотными спектрами дает возможность контроля режимов взаимодействия электронного луча с металлом но всем диапазоне удельных мощностей, используемых при электронно-лучевой сварке и установке фокусировки электронного луча на начальном участке каждого диапазона характерных режимов проплавления металла.Способ электронно-лучевой сварки и устройство для его осуществления позволят повысить точность фокусировки электронного луча по значению удельной мощности, соответствующему всем характерным режимам проплавления металла при электронно-лучевой сварке.Формула изобретения1. Способ электронно-лучевой сварки с контролем удельной мощности электронного луча в зоне взаимодействия с металлом, при котором по величине удельной мощности осуществляют Фокусировку электронного луча, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности Фокусировки луча по значению удельной мощности, Фокусировку эпектронного луча10 устанавливают по сигналу, получаемому в результате выделения и обработки одновременно нескольких переменных составляющих тока с непересекающимися частотными спектрами.2. Способ по п, 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, чта выделяют двесоставляющие вторичного тока с частотами в диапазонах 200-800 Гц и2,5-25,0 кГц,3. Способ по п. 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что выделяют двесоставляющие тока в цепи свариваемаго иэделия с частотами в диапазонах200-800 Гц и 2,5-25,.0 кГц.4Способ по пп. 1-3, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения точности фокусировки присварке в режиме поверхностного расплавления металла, фокусировку электронного луча фиксируют при нулевыхзначениях амплитуд составляюдх тока с частотами 200-800 Гц и 2,525,0 кГц. 255. Способ по пп, 1-3, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения точности фокусировки присварке в режиме образования каналасо стационарным испарением металла,фокусировку электронного луча Фиксируют при нулевом значении амплитудысоставляющей вторичного тока с частотой в диапазоне 2,6-25,0 кГц и отличном от нуля значении амплитуды35составляющей тока с частотой в диапазоне 200-800 Гц на возрастающемучастке зависимости амплитуды составляющей тока с частотой в диапазоне200-800 Гц от тока Факусирующей лин 40зы.6. Способ по пн.1-3, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности Фокусировки при сварке в режиме образования канала свзрывным испарением металла, фокусировку электронного луча фиксируютпри максимальных значениях амплитудсоставляющих тока с частотами в диапазонах 200-800 Гц и 2 у 5 25 р 0 кГц.7. Устройство для электронно-лучевой сварки, содержащее электроннуюпушку с Фокусирующей линзой, коллектор электронов, резисторы нагрузкис последовательно подключенными к нимисточниками смещения, переключатель,соединенный с резисторами нагрузки,Фильтр и амплитудньп детектор, о тл и ч а ю щ е е с я тем, чта оноснабжена вторым Фильтрамвторыъамплитудным детектором, блокам преобразования сигналов, триггером ипоследовательно саединенящи генератором импульсов с ключом управления,счетчиком импульсов и аналого-цифровым преобразователем, выход которогочерез усилитель тока подключен к фокусирующей линзе электронной пушки,причем входы обоих Фильтров соединены с переключателем, выходы Фильтровподключены к входам амплитудных детекторов, выходы последних соединены с входами блока преобразованиясигналов. а выход блока преобразования сигналов соединен с входом триггера, выход которого подключен к входу ключа управления генератора импульсов. 8. Устройство по и. 7, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок преобразования сигналов выполнен в виде нуль-компаратара, вход которого подключен к выходу первого амплитудного детектора, а выход - к входу триггера.9, Устройство пс п, 7, о т и ич а ю щ е е с я тбм, что блок преобразования сигнаал содержит два нуль-компаратора, подключенные входами к выходам амплитудных детекторов, и логический элемент И, входы которого соединены с выходами нулькомпараторов, а выход логического элемента И подключен к входу триггера.10, Устройство по н. 7. о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок преобразования сигналов содержит два экстрематара, подключенные входами к выходам амплитудных детекторов, и логический элемент И, входы которого соединены с выходами экстрематоров, а выход логического элемента И подключены к входу триггера.12 1468700 Составляющая с частотой 2,5-25,0 кГц Составляющая с частотой 200-800 Гц Ток фокусировки, мЛ 1 Амплитуда Частота, кГц Амплитуда Частота, Гц Е 2 И Бб б 8 70 УЛ 7 Ф 7 Б 78 80 ЮЯ Уак Рокусируюией линзы, юА 60 64 68 72 74 0 0,30 0,97 1,20 1,18 1 О 9 8 0210430760710 0 0 О, 14 1,20 0,67 0 0 3,2 12,8 6,6 Коэффициент формышва 0,6 2,1 5,2 14,1 5,81468700 Составитель Г, КвартальновРедактор Л, Веселовская Техред Л.Сердюкова Корректор М. Пож Заказ 1300/14 венного113035,осуд Ужгород, ул. Гагарина,Тираж 892митета по изобретениям и сква, Ж, Раушская наб роиэводственно-издательский комбинат "Патент Подписноеткрытиям при ГКНТ СССР д. 4/5