Способ электронно-лучевой сварки и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСНИХшилюмпиРЕСПУБЛИН 1 65918 ц 5 В 23 К 15/О ОБРЕТЕНИ ПИСАН ЬСТВ 323482/272.11.870.06.91. Бюл. Р 24ститут электросваркиим. Е.О.Патона(56) Авторское свидетельство СССРР 1323298, кл, В 23 К 15/00, 1986.(54) СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЦЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к машиностроению и предназначено для электронно-лучевой сварки с использованиемлокальных колебаний пучка в зоне нагрева. Цель изобретения - повышениекачества сварных соединений путемустранения дефектов кристаллизации засчет симметричного переноса жидкогометалла из зоны расплава в зону кристаллизации, Способ заключается в периодическом перебросе сканирующего(21) 4 (22) 0 (46) 3 (71) Ин Изобретение относится к машиностроению и предназначено для электронно"лучевой сварки с использованием локальных колебаний электронного пуч ка в зоне нагрева при сварке изделий больших и средних толщин.Целью изобретения является повышение качества сварных соединений путем устранения дефектов кристаллизации за счет симметричного переноса жидкого металла иэ зоны расплава в зону кристаллизации. ОСУДАРСТВЕННЬЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВЩ пучка вдоль стыка в упрежденную по ходу сварки точку с последующим изменением в этой точке направления сканирования. При этом изменение направления сканирования производят с временным интервалом, равным половине периода развертки. После каждого тактасканирования осуществляют задержкупучка в упрежденной точке на время,кратное периоду развертки. Устройсчво содержит двухкоординатную отклоняющую систему, квадратурный генератор идва усилителя развертки. Устройствоуправления объединяет синхронизатор,амплитудный детектор, коммутатор развертки и детектор нуля, Синхронизаторпо сигналам квадратурного генераторауправляет работой электронный ключей,обеспечивая запрограммированный ре-.жим сканирования. Дефекты кристалли-,зации металла шва устраняются путемуправляемого переноса металла в сварочной ванне, 2 с. и 2 з.п. ф-лы,5 иле Согласно способу электронно-лучевой сварки производят периодически переброс пучка в процессе его сканирования по замкнутой симметрично расположенной относительно стыка траектории. Переброс сканирующего пучка осуществляют вдоль стыка в упрежденную по ходу сварки точку с последующим изменением в этой точке направления канирования, при этом изменение наравления сканирования производят сременным интервалом, равным половин165918 Периода развертки. Кроме того, после каждого сканирования производят фикСацию пучка в упрежденной точке на Время, кратное периоду развертки.Перебросом пучка вдоль стыка в упрежденную по ходу сварки точку с последующим изменением в этом точке направления сканирования через временной интервал, равный половине периода развертки, обеспечивают движе 1 аие пучка по дугам окружности, расположенным симметрично относительно стыка изделия. Начало движения по каж-, ой дуге осуществляют из упрежденной точки в направлении хвостовой части сварочной ванны. После каждого скани,рования осуществляют фиксацию (задержку) пучка в упрежденной точке на ,время, равное периоду развертки. Перемещением пучка по дугам окружности ,обеспечивают симметричный перенос жидкого металла из зоны плавления в зону кристаллизации, а Фиксацией (за-" держкой) пучка в упрежденной точке регулируют количество расплавленного металла. Выполнением указанных операций добиваются переноса металла из зоны плавления в зону кристаллизации , отдельными порциями, строго регламен тированными но количеству, при этом перенос жидкого металла осуществляет ся только по боковым стенкам канала с встречным направлением потоков жидкости. Переносимые порции металла поочередно успевают охладиться с образова35 нием множества центров кристаллизаций. Это приводит к нарушению встречного роста дендритов, что исключает образование "зоны слабины" по центру шва,40 а следовательно, повышает качество сварных соединений. На Фиг.1 приведена функциональная схема устройства, реализующего способ; на фиг.2 - траектория перемещений пучка в плоскости изделия; на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на Фиг.4- функциональная схема синхронизатора; на фиг.5 - временные диаграммы, пояс някицие работу синхронизатора.Устройство для электронно-лучевой сварки содержит электронно-лучевую пушку 1 с электромагнитной отклоняющей системой 2, квадратурный генера 55 тор 3 с первым 4 и вторым 5 выходами, .первый 6 и второй 7 усилители магнитной развертки, выходы которых соеди" иены с обмотками отклоняющей системы 3Ь2, первый 8 и второй 9 электронные ключи, синхронизатор 10 с входом 11 и выходом 12, который подключен к управляяцим входам первого 8 и второго 9 электронных ключей и к управлякщему входу амплитудного детектора 13,вход которого соединен с вторым выходом 5 квадратурного генератора 3, суммирукщий усилитель 14, первый вход 15 которого подключен к выходу первого электронного ключа 8, а второй вход 16 подключен к выходу амплитудного детектора 13, коммутатор 17 развертки, вход которого соединен с вторым выходом 5 квадратурного генератора 3, а выход подключен через первый электронный ключ 8 к первому входу 15 суммирующего усилителя 14, детектор 18 нуля, вход которого соединен с первым выходом 4 квадратурного генератора 3, а выход подключен к входу 11 синхронизатора 10 к управляющему входу коммутатора 17 развертки.Синхронизатор 10 (фиг.4) содержит счетчик 19, дешифратор 20, первый 21 и второй 22 логические элементы И-НЕ и переключатель 23. Вход первого логического элемента И-НЕ 21 соединен с выходом дешифратора 20 через переключатель 23, а его выход подключен к обнулянзцему входу (К - установки в ноль) счетчика 19. Вход второго логического элемента И-НЕ 22 соединен с )нулевым выходом дешифратора 20, а вы- ход подключен к управляющим входам первого 8 и второго 9 электронных ключей и управляющему входу амплитудного детектора 13. На фиг.1 и 2 приняты следующие обозначения: 24 - . электронный пучок сварочной пушки 25 - свариваемое изделие; 26 - траектория перемещения электронного пучка при сканировании;27 - линия переброса пучка; А, А , А, А - упрежденные точки; В, В ,точки переброса; Т - период развертки; Х, Т - координатные оси; Ча - скорость перемещения изделия (пушки)Электронно-лучевая пушка 1 является источником электронного пучка 24. Электромагнитная отклоняющая система 2 обеспечивает перемещение пучка в плоскости свариваемого изделия 25, Квадратурный генератор 3 вырабатывает сигнала, пропорциональные зхпЯе и созЯй, которые используются для сканирования электронного пучка 24.Первый 6 и второй 7 усилители магнитной развертки служат для преобразования входного напряжения в. токотклонения и выполнены по схеме преоб 5разователя напряжение - ток,Синхронизатор 10 обеспечивает управление первым 8 и вторым 9 электронными ключами и управление амплитудным детектором 13. Счетчик 19 совмест но с дешифратором 20 и первым логическим элементом И-НЕ 21 представляетсобой счетчик заданного числа импульсов, устанавливаемого переключателем23. Синхронизатор 10 формирует логические сигналы с учетом заданного времени Фиксации пучка в упрежденнойточке,Амплитудный детектор 13 обеспечивает формирование напряжения смещения 20пучка на время его фиксации (остановки) в упрежденной точке и выполненпо схеме амплитудного детектора сосбросом и в процессе работы отслеживает амплитудное значение раэвертывакщего напряжения.Суммирунзций усилитель 14 выполняет функцию суммирования развертывающего напряжения квадратурного генератора 3 и напряжения смещения с выхо 30да амплитудного детектора 13.Коммутатор 17 развертки инвертирует фазу напряжения развертки на 180"с временным интервалом, равным Т/2 ивыполнен на операционном усилителе35и ключе, подключенном к неинвертирующему входу.Детектор 18 нуля обеспечивает преобразование синусоидального напряжения квадратурного генератора 3 в логические сигналы с жесткой привязкойк нулевому. уровню и выполнен на операционном усилитете, в цепь обратнойсвязи которого включен диод.Устройство функционирует следующим образом.В процессе работы электронно-лучевой пушки 1 формируется электронньй .пучок 24. Под воздействием магнитныхполей двухкоординатной электромагнитной отклоняющей системы 2 электронныйпучок 24 сканирует поверхность свариваемого изделия 25. Сканированиепроизводят по замкнутой траектории,при этом пучок описывает две полуокружности, расположенные симметричноотносительно стыка иэделия (фиг.2).Сканирование пучка осуществляется подвоздействием управлящцих сигналов квадратурного генератора 3. Сигналы генератора 3, пропорциональные з дп ЯС и созЯ 1, подаются на обмотки электромагнитной отклоняющей системы 2 через первый 6 и второй 7 усилители магнитной развертки. На первый усилитель 6 напряжение Р 1 (фиг,З), пропорциональное созЯс, подается с второго выхода 5 квадратурного генератора 3 через первый электронный ключ 8, суммирующий усилитель 14 и коммутатор 17 развертки. На второй усилитель 7 напряжение Р 2 (фиг.З), пропорциональное з 1 пЯТ, подается с первого выхода 4 квадратурного генератора 3 непосредственно через второй электронный ключ 9.Переброс пучка с инверсией напряжения сканирования выполняется коммутацией напряжения Р 1 (фиг.З) квадратурного генератора 3.Коммутация напряжения развертки Р 1 производится на 180 временным интервалом, равным Т/2. Коммутация осуществляется коммутатором 17 развертки, на управляющий вход которого подают последовательность логических сигналов РЗ (фиг.З) с выхода детектора 18 нуля. При наличии на управляющем входе коммутатора 17 развертки логических сигналов на его выходе формируется напряжение Р 4 (фиг.З), которое используется для развертки пучка по каналу Х.Таким образом под воздействием сигнала Р 2 по каналу У и сигнала Р 4 по каналу Х электронньй пучок 24 за один период развертки описывает две дуги окружности, расположенные симметрично относительно стыка изделия (Фиг.2), Так за первую половину периода пучок перемещается из точки А в точку В, а за вторую половину периода - из точки А в точку В. Переброс пучка из точек В, В в упрежденные точки А , А осуществляется мгновенно с временным интервалом, равным Т/2. При этом расстояние между упрежденными точками А, А и Аз определяется скоростью ЧИ перемещения изделия (пушки).Операцию по фиксации пучка в упрежденной точке производят отключением развертывающих напряжений Р 2, Р 4 и подключением на это время напряжения Р 6 смещения пучка в упрежденную точку. Отключение развертыващих напряжений осуществляется первым 8 и вто183 бсигналами Р 5 синхронизатора 10, топри наличии на управляющем входе детектора 13 сигнала "1" на его выходенапряжение Рб (фиг.З) равно нулю, апри наличии на управляющем входе детектора 0" - на его выходе формируется напряжение, равное амплитудеразвертывающего напряжения Р 1. Напряжение Рб с выхода детектора 13. подаютна .второй вход 16 суммирующего усилителя 14. Под воздействием этого напряжения пучок смещается в упрежденную точку и удерживается в этом положенин на время фиксации пучка, Поокончании этого временного интервалапроизводят переключение электронныхключей и сброс амплитудного детекто ра 13, после чего цикл работы повто 20 ряется.Реализация способа осуществляласьна электронно-лучевой аппаратуре ти 1па ЭЛК 60/60 с помощью устройства, выполненного по схеме на фиг.125 Способ электронно-лучевой сваркии устройство для его осуществлениябыли опробованы при электронно-лучевой сварке изделий из стали 10 ХСНД,15 ХСНД, 15 Г 2 АФ 10 толщиной 20-60 мм.30 Частотный диапазон развертки при сканировании выбирался в пределах 400 -1000 Гц. Время фиксации пучка регулировалось в пределах 1 - 10 периодовразвертки, Энергетические параметрыпучка выдерживались в пределах:Ч = 60 Кв, 1= 250 - 350 мА,1,р= 925 мА.Исследование сварных соединенийпоказало высокое качество сварных 40 швов. В сварных швах устранена "эонаслабины", что исключает дефекты кристаллизации, поры и горячие трещины.Это объясняется периодический и симметричным переносом жидкого металла 45 из зоны расплава в зону кристаллиза- циие 1Способ электронно-лучевой сварки, при котором производят периодический переброс пучка в процессе егосканирования по замкнутой симметрично расположенной относительно стыка 55траектории, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения качествасварных соединений путем устранениядефектов кристаллизации за счет симметричного переноса жидкого металла 7 1659рым 9 электронными ключами, на управляющие входы которых подают логические сигналы Р 5 (фиг.З) с выхода 12синхронизатора 10,По приходу на вход 11 синхронизатора 10 последовательности логических сигналов РЗ (фиг.5 а) с детектора18 нуля на выходе 12 синхронизатораформируются сигналы Р 5 с уровнем "Оц(иг.5 б)Длительностью сигналов Р 5определяет время фиксации пучка в упрфжденной точке, Это время выбираютпропорциональным периоду развертки Тиустанавливают переключателем 23Переключатель 23 соединяет один извыходов дешифратора 20 с входом первогф логического элемента И-НЕ 21, сиг-"нал с выхода которого поступает наобнуляюций вход счетчика 19, устанавлйвая его в нулевое состояние. Таккак по счетному С-входу счетчик 19переключается по заднему фронту вход"ного сигнала, то по приходу первогосигнала "1" на вход счетчика 19 нав)Ыходе "0" дешифратора 20 устанавливается уровень "1", а на выходе "1"3,ешифратора устанавливается уровень0" (фиг.5 в,г). По приходу следующихимпульсов РЗ значение уровня "0" устаИавливается на последующих выходах деп 1 ифратора (фиг.5 д,е).При появлении сигнала "0" на выхо"йе дешифратора 20, соединенного соначетчиком 19, через переключатель 23на обнуляющем входе счетчика 19 появляется импульс .(фиг,5 ж). Счетчик 19Сбрасывается в ноль и цикл повторяет.ся. Так как на время счета на выходе"О" дешифратора устанавливается уровень "1", то после инвертирования вторым логическим элементом И-НЕ 22 навыходе 12 синхронизатора 10 формиру"ется сигнал "0", длительность которого определяется числом и периодовразвертки Т. Число периодов и устайавливается переключателем 23.уЧитывая скорость Чи перемещениябезделия, пучок за время пТ переместится из точки А в точку А, из которой начинается новый цикл сканирования (фиг.2).Перемещение пучка в упрежденнуюточку по окончании цикла сканирования и его фиксация в этой точке нарремя пТ осуществляется напряжениемРб, которое формируется амплитуднымдетектором 13. Так как амплитудныйдетектор 13 управляется логическими Формула из обре тения1из зоны расплава в зону кристаллизации, переброс сканирующего пучка осуществляют вдоль стыка в упрежден-ную по ходу сварки точку с последующим изменением в этой точке направления сканирования, при этом изменение направления сканирования производят с временным интервалом, равнья половине периода развертки.2. Способ электронно-лучевой сварки по п 1, отличающийся тем, что после каждого сканирования производят фиксацию пучка в упрежденной точке на время, кратное периоду развертки.3, Устройство для электронно-лучевой сварки, содержащее сварочную электронную пушку с электромагнитной отклоняющей системой, квадратурный генератор, два усилителя магнитной развертки, выходы которых соединены с соответствующими обмотками отклоняязцей системы, а входы электрически связаны с выходами квадратурного генератора, два электронных ключа, выходы которых электрически связаны с входами соответствующих усилителей магнитной развертки, о т л и ч а ю - щ е е с я тем, что в него введены синхронизатор, амплитудный детектор, ,суммирукщий усилитель, коммутатор развертки, детектор нуля, вход которого соединен с первым выходом ква- ратурного генератора, а выход подклю"Г чен к вхопу синхронизатора и управляющему входу коммутатора развертки,вход которого соединен с вторым выходом квадратурного генератора,а выходчерез первый электронньй ключ - спервым входом суммирующего усилителя,выход которого подключен к входу первого усилителя магнитной развертки,а второй вход суммирующего усилителя,соединен с выходом амплитудного де,тектора, вход которого подключен кв то рому входу кв адратурно го ге нерато"ра, причем выход синхронизатора соединен с управляющими входами первого ивторого электронных ключей и с управлякицим входом амплитудного детектора. 4. Устройство для электронно-лучевой сварки по п.3, о т л и ч а ю - щ е е с я тем, что синхронизатор содержит счетчик, дешифратор, переключатель, первый в второй логические элементы И-НЕ, причем счетный вход счетчика соединен с выходом детектора нуля, а обнулящций вход - с выходом первого логического элемента И-НЕ, вход которого через переключатель соединяется с одним из выходов с первого по девятый дешифратора, вход которого соединен с выходом счетчика, нулевой выход дешифратора подключен к входу второго логического элемента И-НЕ, выход которого подключен на уп равляющие входы электронных ключей.Корректор Т.Колб РедакЛазоре нко Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгор Гагарина. аказ 1806 Тираж 524 ПодписноеНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, ЖРаушская наб., д. 4/5