Способ визуализации стыка и шва при сварке электронным пучком и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН А 11496 51) 4 В 23 К 15/О ИЗОБРЕТЕНИ Ф СЬ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(54) СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ СТЫКА И ШВАПРИ СВАРКЕ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано для электронно-лучевойсварки изделий с визуализацией процесса формирования сварного шва. Цельизобретения - повьппение коэффициента использования технологическоймощности электронного пучка сварочного аппарата в процессе сварки и повьппение качества сварных соединений.Процесс формирования сварного швапериодически прерывают на время зондирования, в течение которого электИзобретение относится к машиностроению и предназначено для визуализации стыка и процесса формирования шва при сварке электронным пучком. ронному лучу сообщают мощность зондирования и разворачивают его в растрна рабочем участке стыка свариваемыхдеталей. Формируемый при этом вторично-эмиссионный сигнал построчно записывают в память и запоминают навремя технологического интерваласварки, в течение которого записанноеизображение рабочего участка стыкасвариваемых деталей считывают и отображают на экране растрового телевизионного индикатора. Устройство, реализующее способ визуализации .стыкаи шва, содержит электронно-лучевуюпушку, фокусирующую систему, отклоняющуюсистему, коллектор вторичныхэлектронов. Устройство управлениясодержит блок модуляции тока луча,блок фокусировки, блок развертки,усилитель вторично-эмиссионного сигнала, блок формирования временныхинтервалов, блок формирования адресов элементов памяти, блок памяти,аналого-цифровой и цифроаналоговыйпреобразователи, растровый телевизионный индикатор. Такое техническоерешение обеспечивает контроль формируемого соединения и стыка в процессе сварки путем синхронного считывания иэображения, записываемого в память при зондировании изделия. 2 с,и 1 з.п. ф-лы, 5 ил. Целью изобретения является повышение качества сварных соединений и повьппение коэффициента использования технологической мощности электронного пучка.30 3 1496960На фиг. 1 представлена траектория растрового зондирования рабочего участка стыка свариваемых деталей; на фиг. 2 - кадровая развертка зон 5 дирующего электронного луча; на фиг. 3 - строчная развертка; на фиг. 4 - структурная схема устройства для визуализации стыка и шва при сварке электронным пучком; на фиг. 5 - структурная схема блока фор мирования временных интервалов.Способ визуализации стыка и шва при сварке электронным пучком основан на периодическом прерывании про цесса формирования сварного шва на время зондирования стыка свариваемых деталей и осуществляется следующим образом.С помощью известных методов и 20 устройств наведения оптическую ось электронно-лучевой пушки совмещают со стыком свариваемых деталей в заданной точке (точка а на фиг. 1). Сварочный аппарат переводят в режим 25 зондирования, При этом электронному лучу сообщают мощность зондирования и разворачивают его в растр на рабочем участке стыка свариваемых деталей. Под действием электронного луча с зондируемой поверхности свариваемых деталей возникает поток вторичных электронов, который улавливают коллектором вторичных электронов и формируют вторично-эмиссионный информационный сигнал. При пересечении сварного шва и стыка свариваемых деталей зондирующим электронным лучом во вторично-эмиссионном сигнале формируются импульсы отметки40 Вторично-эмиссионный сигнал усиливают и построчно записывают в блоке электронной памяти, т.е. за время зондирования в блоке памяти записы вают изображение зондируемого участ ка стыка свариваемых деталей. Записанное изображение запоминают на время технологического интервала сварки, в течение которого записанную информацию считывают с параметрами развертки растрового электронного индикатора, Считанный сигнал подают на вход растрового телевизионного индикатора, на экране которого формируется изображение рабочего участка стыка свариваемых деталей.После окончания зондирования стыка свариваемых деталей электронный луч возвращают в точку а линии стыка и сообщают ему технологическую мощность, Ориентируясь по изображению на экране телевизионного индикатбра, перемещают тележку с закрепленными на ней деталями таким образом, чтобы электронный луч в технологическом режиме сварки прошел вдоль линии стыка свариваемых деталей, В течение технологического интервала сварки, длительность которого составляет 0,3-1 с (устанавливается в зависимости от скорости формирования сварного шва и обеспечивает хорошие условия для наблюдения и управления процессом сварки), на экране телевизионного индикатора вопроизводится изображение участка стыка, записанное в блоке памяти.Через заданный интервал времени (0,3-1 с) сварочный аппарат автоматически переводят из технологического режима сварки в режим зондирования следующего участка стыка свариваемых деталей, причем центр растра зондирования совпадает с положением оптической оси электронно-лучевой пушки в момент окончания предшествующего технологического интервала сварки. Длительность зондирования рабочего участка стыка свариваемых деталей составляет 4-5 мс (определена экспериментально и соответствует максимально допустимому времени прерывания процесса формирования сварного шва без ухудшения его качества). При этом в устройстве памяти записывают изображение нового участка стыка свариваемых деталей.Таким образом, процесс формирования сварного шва отображается на экране телевизионного индикатора в виде непрерывной последовательности иэображений перекрывающихся участков стыка свариваемых деталей, зондируемых электронным лучом. Центр изображения зондируемьи участков стыка деталей совпадает с положением оптической оси электронно-лучевой пушки во время зондирования, относительно которого оператор наблюдает положение сварного шва и стыка свариваемых деталей. Частоту зондирования стыка свариваемьи деталей (1 - 3 Гц) устанавливают в соответствиизаданной скоростью формирования сварнрго шва.С целью сокращения времени прерывания процесса формирования сварного5 149 шва при сохранении числа строк растра зондирования используют прямой и обратный ход высокочастотной треугольной развертки зондирующего электронного луча для записи в устройстве памяти изображения зондируемого участка стыка свариваемых деталей. Это позволяет в 1,5-2 раза сократить время зондирования по сравнению с пилообразной разверткой, которую обычно используют при сканировании поверхности свариваемых деталей электронным1лучом. При считывании записанной информации производят преобразование высокочастотной треугольной развертки в телевизионную развертку растрового индикатора.Заваренный участок стыка сканируют для того, чтобы получить полное иэображение участка поверхности свариваемых деталей в области оптической оси электронно-лучевой пушки. Формируемое на экране телевизионного индикатора изображение позволяет оператору не только управлять положением оптической оси пушки относительностыка деталей, но и управлять параметрами сварочного аппарата (фокусировка, технологическая развертка, расстояние от пушки до свариваемого изделия и др.), влияющими на качество сварного шва, т.е. отображение на экране телевизионного индикатора заваренного шва позволяет оператору контролировать качество сварки и управлять параметрами сварочного аппарата.Скорость перемещения свариваемых деталей по сравнению со скоростью зондирования очень мала. Поэтому за время зондирования, которое составляет 5 мс, свариваемое изделие не успевает существенно переместиться и электронный луч после окончания зондирования поверхности свариваемых деталей возвращается практически в ту же точку, иэ которой вышел. Так например, при скорости сварки 120 м/ч за время зондирования 5 м/с свариваемые детали перемещаются на 0,15 мм. Еслй учесть, что размеры ванны расплавленного металла в зависимости от мощности электронного пучка составляют (10-20) х (20-30)мм, то смещением свариваемых деталей за время зондирования можно пренебречь и считать, что после окончания зондирования электронный луч возвраща 69606ется в ту же точку стыка, из которойначато сканирование.Устройство для визуализации стыка и шва при сварке электронным пучком (фиг4) содержит вакуумнуюкамеру 1, в которой установлены электронно-лучевая пушка 2, фокусирующая система 3, отклоняющая система4, коллектор 5 вторичных электронови свариваемые детали 6 на подвижнойтележке, а также блок 7 модуляциитока луча, блок 8 фокусировки, блок9 развертки, видеоусилитель 10 вторично-эмиссионного сигнала, блок 11формирования временных интервалов,блок 12 формирования адресов элементов памяти, блок 13 памяти, аналогоцифровой преобразователь 14, цифро 20 аналоговый преобразователь 15, растровый телевизионный индикатор 16.Управляющий вход электронно-лучевой пушки 2 соединен с выходом блока 7 модуляции тока луча, вход фоку сирующей системы 3 соединен с выходом блока 8 фокусировки, вход отклоняющий системы 4 соединен с выходом.блока 9 развертки, выход коллектора5 вторичньи электронов подключен кпервому входу усилителя 1 О вторично эмиссионного сигнала, с первого попятый выходы блока 11 формированиявременных интервалов соединены соответственно с входами блока 7 модуляции тока луча, блока 8 фокусировки, 35блока 9 развертки, вторым входом усилителя 10 вторично-эмиссионного сигнала и первым входом растрового телевизионногоиндикатора 16, первыйи второй входы аналого-цифровогопреобразователя 14 подключены соответственно к выходу усилителя 10вторично-эмиссионного сигнала и шестому выходу блока 11 формированиявременных интервалов,первый, второй и третий входы блока 13 памятиподключены соответственно к выходуаналого-цифрового преобразователя 14,выходу блока 12 формирования адресов элементов памяти и седьмому выходу блока 11 формирования временныхинтервалов, с первого по четвертыйвходы блока 12 формирования адресовэлементов памяти подключены соответственно к третьему, четвертому, пя тому и восьмому выходам блока 11формирования временных интервалов,вход и выход цифроаналогового преобразователя 15 соединены соответст1496960 венно с выходом блока 13 памяти и вторым входом растрового телевизионного индикатора 16.Блок 11 формирования временных интервалов (фиг. 5) включает в себя задающий генератор 17 формирователь 18 сигналов синхронизации индикатора 16, формирователь 19 сигнала синхронизации блока 9 развертки, формирователь 20 управляющих сигналов и формирователь 21 тактовых импульсов, Зацанвций генератор 17 работает с привязкой к питающей сети и вырабатывает опорный сигнал частотой 10 мГц (ча стота обусловлена скоростью записи изображения участка стыка свариваемых деталей в электронную память и Форматом изображения), который поступает на входы формирователей 18, 19 20 и 21. Работа формирователя 20 управляющих сигналов синхронизируется кадровыми синхроимпульсами, поступающими с второго выхода формирователя 18 сигналов синхронизации ин дикатора. С первого выхода формирователя 20 управляющих сигналов импульс запуска развертки электронного луча в режиме зондирования поступает на вход формирователя 19, который 30 вырабатывает сигнал Оинхронизации блока 9 развертки. С второго выхода формирователя 19 импульс, соответствующий моменту окончания развертки зондирующего электронного луча, поступает на второй вход Формирова 35 теля 20, который вырабатывает сигнал управления для блока 7 модуляции тока луча, блока 8 Фокусировки и видеоусилителя 1 0 Кроме ТОГО снГ 40 нал с одного из выходов формирователя 20 управляет работой .Формирователя 21, вырабатывающего в соответствии с опорной частотой тактовые импульсы Етдля формирователя 12 адресов элементов памяти, импульсы записи Еь . для блока 13 памяти и импульсы квантования Е для аналого-цифрового преобразователя 14. Блок 12 формирования адресов элементов памяти реализуется на цифровых ин тегральных счетчиках типа К 531 ИЕ 17.Устройство для визуализации стыка и шва при сварке электронным пучком работает с периодическим прерыванием процесса Формирования сварного шва на время растрового зондирования рабочего участка стыка свариваемых деталей. Алгоритм работы устройства задает блок 11 формирования временных интервалов, Перед сваркой электроннолучевую пушку 2 устанавливают над стыком свариваемых деталей 6. По команде "Наведение" блок 11 формирования временных интервалов формирует сигналы управления, которые поступают на входы блока 7 модуляции тока луча, блока 8 фокусировки, блока 9 развертки, видеоусилителя 10, а также импульсные сигналы тактовой частоты Е акт записи Е и дискретизации Е которые поступают соответственно на входы блока 12 Формирования адресов элементов памяти, блока 13 памяти, аналого-цифрового преобразователя 14. При этом блок 7 модуляции тока луча устанавливает мощность электронного луча электронно-лучевой пушки 2 соответствующей режиму зондирования (50-100 Вт). Блок 8 фокусировки устанавливает в катушках электромагнитной фокусирующей системы 3 ток, который обеспечивает фокусировку электронного луча на поверхности свариваемых деталей. Блок 9 развертки формирует в катушках отклоняющей сйстемы4 токи кадровой и строчной развертки электронного луча (Фиг, 2 и 3) . Видеоусилитель 10 подключается к коллектору 5 вторичных электронов, а блок 13 памяти переводится в режим записи.Под действием зондирующего электронного луча с поверхности деталей 6 образуется поток вторичных электронов, который улавливается коллектором 5. С коллектора 5 через видеоусилитель 10 вторично-эмиссионный информационный сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 14, который в соответствии с частотой дискретизации Е (10 мГц) квантует его по уровню и переводит в цифровой код. Блок 12 формирования адресов элементов памяти синхро" низируется в режиме зондирования синхросигналом блока развертки зондирующего электронного луча и в соответствии с тактовой частотой Екоторая в данном режиме равначастоте дискретизации вторично-эмиссионного сигнала Е вырабатывает коды ад" ресов элементов памяти. С выходов аналого-цифрового преобразователя 14 и блока 12 формирования адресов элементов памяти коды уровня вторично 1496960 10Таким образом, за один кадр зондирования участка поверхности свариваемых деталей электронным лучом вто рично-эмиссионный информационный сигнал в нифровом виде построчно записывается в блоке 13 памяти.После окончания записи блок 13 памяти автоматически переводится в режим считывания. Считывание записанной информации осуществляется в соответствии с параметрами развертки растрового телевизионного индикатора 16. При этом блок 12 формирования адресов элементов памяти синхронизируется синхросигналом телевизионного индикатора 16. Так как скорость записи вторнчно-эмиссионного сигнала вьппе примерно в 40 2 раза скорости считывания, то тактовая частота Г,ц, в соответствии с которой информация построчно выводится из блока 13 памяти, в 2 раза ниже тактовой частоты аит в 45 режиме записи. С выхода блока 13 памяти записанная информация через цифроаналоговый преобразоматель 15 поступает на вход растрового телевизионного индикатора 16, на экране которого формируется изображение зондируемого участка поверхности свариваемых деталей, причем центр изображения соответствует положению оптической оси электронно-лучевой пушки 2. Информация, записанная в блоке 13 пащти и отображаемая на экране телевизионного индикатора 16, периодически обновляется с частотой 30 эмиссионного сигнала и адресов элементов памяти, соответствующие текущей выборке, устанавливаются на информационном и адресном входах блока 13 памяти, Запись значения текущей выборки вторично-эмиссионного сигнала в соответствующую ячейку блока 13 памяти осуществляется с приходомимпульса записи на управляющий вход блока 13 памяти. Частота импульсов записи Е равна частоте дискретизации 3 Однако по фазе и ульсы записи несколько задержаны (на 30- 40 мс) по отношению к импульсам дис кретизации Г и тактовым импульсам Е. Это необходимо для того, чтобы в момент записи на информационном и адресном входах блока 13 памяти установились потенциалы соответст , вующих кодов. зондирования свариваемых деталей (1-3 Гц) .Ориентируясь по изображению на экране телевизионного индикатора, оператор перемещает тележку с закрепленными на ней свариваемыми деталями таким образом, чтобы оптическая ось электронно-лучевой пушки 2 совпадала с заданной точкой стыка свариваемых деталей.После вывода электронно-лучевой пушки 2 в заданную точку стыка свариваемых деталей 6 по команде "Сварка" блок 11 формирования временных интервалов вырабатывает сигналы управления, которые переводят сварочный аппарат в режим сварки. В этом режиме технологические интервалы формирования сварного шва чередуются с интервалами зондирования стыка свариваемых деталей. Частоту зондирования стыка свариваемых деталей при сварке (1-3 Гц) устанавливают в зависимости от скорости формирования сварного шва. Длительность интервала зондирования 4-5 мс.При технологическом интервале формирования сварного шва блок 7 модуляции тока луча устанавливает технологическую мощность электронного луча (60 кВт), блок 8 фокусирует электронный луч в соответствии с технологическим режимом сварки, блок 9 в автономном режиме формирует технологическую развертку для управления электронным лучом в процессе сварки, а видеоусилитель 10 отключается от коллектора 5 вторичных электронов. Блок 11 формирования временных интервалов вырабатывает тактовую частоту, в соответствии с которой информация, записанная в блоке 13 памяти, выводится, через цифроаналоговый преобразователь 15 на вход растрового телевизионного индикатора 16. На экране индикатора 16 в течение технологического интервала формирования сварного шва воспроизводится изображение рабочего участка стыка свариваемых деталей. Ориентируясь по изображению рабочего участка стыка свариваемых деталей, оператор управляет перемещением тележки с закрепленныьы на ней деталями изделия 6 таким образом, чтобы оптическая ось электронно-лУчевой пушки 2 прошла вдоль линии етыка свариваемых деталей.Форьпюрование сварного шва периодически с частотой 1-3 Гц прерывается на время зондирования, в течениекоторого в блок 13 памяти записывает 5ся иэображение нового участка стыкасвариваемых деталей. Алгоритм работыустройства при зондировании соответствует ранее описанному,Таким образом, процесс формирования сварного шва оператор наблюдаетна экране растрового телевизионногоиндикатора 16 в виде последовательности перемещающихся вдоль стыкаперекрывающихся участков поверхностисвариваемых деталей. Ориентируясь.по иэображению, оператор управляетпроцессом формирования сварного шва.Предлагаемый способ визуализациистыка и шва при сварке электронным .20пучком и устройство для его реализации позволяют уменьшить потери технологической мощности сварочного аппарата и повысить качество формирования сварных швов. В способе-прототипе и устройстве для его реализациииспользуется высокая частота зондирования (50 Гц), необходимая дляполучения качественного изображенияна экране, растрового телевизионного 30индикатора, За счет этого теряетсяпримерно 1/3 технологической мощностисварочного аппарата. Использованиезапоминания рабочего участка стыкасвариваемых деталей с аналого-цифро,35вым и цифроаналоговым преобразованием,информации позволяет значительно (в50-100 раз) снизить частоту зондирования при сохранении качества изображения на экране растрового телевизионного индикатора. Частоту зонди. рования выбирают в зависимости отскорости формирования .сварного шва.При этом потери технологической мощности сварочного аппарата за счетпрерывания процесса формированиясварного шва на время зондированиясоставляют 1-23. Это обеспечиваетболее высокое качествосварных соединений и позволяет осуществлятьсварку металлов с высоким коэффициентом теплопроводности,Формула изобр ет ения1. Способ визуализации стажа и шва 55при сварке электронным пучком, заклю-., чающийся в.том, что процесс формирования сварного шва периодически прерывают на время зондирования, в течение которого электронному лучу сообщают мощность зондирования, построчно разворачивают его в растр на рабочем участке стыка свариваемых деталей, формируют вторично-эмиссионный информационный сигнал с зондируемой поверхности сварных деталей, с помощью вторично-эмиссионного сигнала формируют на экране растрового телевизионного индикатора изображение рабочего участка свариваемых деталей, после окончания кадра зондирования возобновляют технологический режим формирования сварного шва, при этом сообщают электронному лучу технологическую мощность и, ориентируясь по иэображению на экране телевизионного индикатора, проводят его вдоль стыка свариваемых деталей, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварных соединений и повышения коэффициента использования технологической мощности электронного пучка, снижают частоту зондирования стыка свариваемых деталей, вторично-эмиссионный информационный сигнал при каждом кадре зондирования стыка свариваемых деталей записывают в электронную память и запоминают на время технологического интервала, в течение которого. записанную информацию построчно считывают и воспроизводят на экране растрового телевизионного индикатора.2. Способ по п, 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что сокращают время зондирования стыка свариваемых деталей, при записи вторично-эмиссионнного информационного сигнала используют прямой и обратный ход высокочастотной треугольной развертки зондирующего электронного луча, а при считывании записанной информации используют преобразование развертки зондирующего электронного луча в телевизионную развертку растрового индикатора. 3. Устройство для визуализации стыка и шва при сварке электронным пучком, содержащее вакуумную камеру, в которой установлены электроннолучевая пушка, фокусирующая система, отклоняющая система, коллектор вторичных электронов и свариваемое изделие на подвижной тележке, блок . моду 1496960 14ляции тока луча, блок разверток, блокфокусировки, видеоусилитель, формирователь временных интервалов, растровый телевизионный индикатор, причем 5управляющий вход электронно-лучевойпушки соединен с выходом блока модуляции тока луча, вход фокусирующейсистемы подключен к выходу блока фокусировки, вход отклоняющей системысоединен с выходом блока разверток,выход коллектора вторичных электронов подключец к первому входу видеоусилителя, первый, второй, третий,четвертый и пятый выходы блока формирования временных интервалов соединены соответственно с входами блокамодуляции тока луча, блока фокусировки, блока развертки, вторым входом видеоуснлителя и первым входом рОрастрового телевизионного индикатора, отличающееся тем,что оно снабжено аналого-цифровымпреобразователем, блоком памяти, блоком формирования адресов элементовпамяти и цифроаналоговым преобразователем, причем первый и второй входы аналого-цифрового преобразователяподключены соответственно к выходувидеоусилителя и шестому выходу блока формирования временных интервалов,первый, второй и третий входы блокапамяти подключены соответственно квыходу аналого-цифрового преобразователя, выходу блока формирования адресов элементов памяти и седьмому выходу блока формирования временных интервалов, с первого по четвертыйвходы блока формирования адресовэлементов памяти подключены соответственно к третьему, четвертому, пятому и восьмому выходам блока формирования временных интервалов, входи выход цифроаналогового преобразователя соединены соответственно свыходом блока памяти и вторым входомрастрового телевизионного индикатора.11496960 Пучинс Заказ 4375/16 Тираж 894 . ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета ло изобретениям и открытиям и 113035, Москва, Ж, Раушскаянаб д. 4/5 Т СС оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород,агарина, 10 Составитель В. кий ктор И. Рыбченко Техред д,олийнык Корректор М. Максимишинец