Способ электронно-лучевой сварки и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ЛИСА БРЕТЕН(л ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) Авторское свидетельство СССРМ 1442348, кл. В 23 К 15/00, 22.04,87.(54) СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛ ЕНИЯ(57) Изобретение относится к электроннолучевой сварке с двойным преломлением икруговой разверткой электронного пучка ипредназначено для сварки иэделий больших и средних толщин с глубоким проплавлением, Цель изобретения - повышение качества сварных соединений путем стабилизации гидродинамических процессов в(я)5 В 23 К 15/00, 15/02 сварочной ванне. Формируют круговую сходящуюся развертку пучка 29 путем его двойного преломления и осуществляют колебания точки 31 сходимости развертки по глубине сварочной ванны. В процессе сварки перемещением точки 31 поддерживают минимальную величину переменной составляющей ионного тока 30 плазмы. Введение в устройство коллектора 13 ионного тока 30, источника 14 смещения и преобразователя 15 ток - напряжение позволяет вести измерения переменной составляющей ионного тока 30 плазмы. Введение селектора 21, блока 22 коррекции, генератора 18 треугольных колебаний и третьего сумматора 19 позволяет автоматически перемещать точку 31 сходимости развертки по глубине сварочной ванны. При этом повышается стабильность формирования шва. 2 с, и 2 з.п.ф-лы, 6 ил.Изобретение относится к электроннолучевой сварке с двойным преломлением и круговой разверткой электронного пучка и предназначено для сварки изделий больших и средних толщин с глубоким проплавлением,Целью изобретения является повышение качества сварных соединений путем стабилизации гидродинамических процессов в сварочной ванне.На фиг.1 приведена функциональная схема устройства, реализующая способ; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг.З - функциональная схема селектора; на фиг,4 - временные диаграммы, поясняющие работу селектора; на фиг.5- функциональная схема блока коррекции; на фиг.6 - временные диаграммы, поясняющие работу блока коррекции.В способе электронно-лучевой сварки, при которол формируют круговую сходящуюся развертку пучка путем его двойного преломления, осуществляют колебания точки сходимости развертки по глубине сварочной ванны относительно положения, выбранного в пределах сварочной ванны, В процессе колебания точки сходимости развертки по глубине сварочной ванны определяют минимальную величину переменной составляющей ионного тока плазмы, Путем автоматического перемещения точки сходимости развертки по глубине сварочной ванны поддерживают минимальную величину переменной составляющей ионного тока плазмы, а это соответствует оптимальному положению точки сходимости по глубине сварочной ванны,Устройство для осуществления способа, как показано на фиг,1, содержит электронно-лучевую пушку 1 с электромагнитными отклоняющими системами 2 и 3, а также генератор 4 круговой развертки. Выходы усилителей 5 - 8 магнитной развертки соединены с обмотками отклоняющих систем 2 и 3, а входы электрически связаны с генератором 4 круговой развертки. Выходы сумматоров 9 и 10 подключены к усилителям 6 и 7, питающим обмотки второй отклоняющей системы 3. Выходы аналоговых перемножителей 11 и 12 подключены к усилителям 5, 8 и сумматорам 9 и 10, Также в состав устройства входят коллектор 13 ионного тока плазмы и источник смещения 14, отрицательным полюсом соединенный с коллектором 13, Последовательно соединены преобразователь 15 ток - напряжение, амплитудный демодулятор 16, экстрематор 17. Устройство оснащено генератором 18 треугольных колебаний и третьим сумматором 19 с шиной 20 опорного 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 напряжения Ео Входы селектора 21 подключены к экстрематору 17 и генератору 18.Аналоговый вход блока коррекции 22 соединен с генератором 18. а импульсные входыподключены к выходам селектора 21.Селектор 21 (фиг,З) содержит сдвоенный компаратор 23, триггер Шмита 24, первый 25 и второй 26 логические элементыИ-ИЛИ-НЕ,Блок коррекции 22 (фиг.5) содержит последовательно соединенные два устройства27 выборки-хранения и сумматор 28,Электронно-лучевая пушка 1 являетсяисточником электронного пучка 29,В процессе сварки из канала проплавления генерируется ионный ток 30 плазмы,величина переменной составляющей которого характеризует положение точки 31 сходимости развертки по толщинесвариваемого изделия 32, Изменение положения точки 31 сходимости развертки поглубине сварочной ванны осуществляетсяизменением углаотклонения электронного пучка 29,Отклоняющие системы 2 и 3 разнесенывдоль электронно-оптической оси и обеспечивают преломление пучка на двух уровнях.Обмотками первой и второй отклоняющихсистем формируются встречные электромагнитные поля.Генератор 4 круговой развертки выдаетквадратурные сигналы О япол и 0 созо) т,которые используются для получения круговой сходящейся развертки пучка, При двойном преломлении точка 31 пересеченияпучком электронно-оптической оси пушки является точкой сходимости развертки пучка.Усилители 5 - 8 магнитной разверткислужат для преобразования входного напряжения в ток отклонения. Они выполненыпо схеме преобразователей напряжение -ток, что позволяет исключить погрешности,связанные с разбросом параметров при нагреве обмоток отклоняющих систем.Сумматоры 9, 10 и 19 выполняют функции суммирования входных сигналов, Онивыполнены на операционных усилителях,Аналоговые перемножители 11 и 12 выполняют функции управляемых делителей ислужат для амплитудной модуляции гармонических сигналов генератора 4 круговойразвертки.Коллектор 13 служит для регистрацииионного тока 30 плазмы из канала проплавления, Источник 14 смещения и преобразователь 15 ток-напряжение служат дляпреобразования ионного тока в электрические сигналы, Амплитудный демодулятор 16и экстрематор 17 служат для выделения оги 16696725 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 бающей переменной составляющей ионного тока плазмы с последующим выделением экстремальных точек. Экстрематор собран по схеме усилителя с нелинейной отрицательной обратной связью.Генератор 18 треугольных колебаний служит для колебания точки сходимости развертки по глубине сварочной ванны, Генератор выполнен в виде последовательно соединенных триггера, интегратора и инвертирующего усилителя, охваченных положительной обратной связью.Шина 20 опорного напряжения Ео служитдля задания начального положения точки 31 сходимости развертки по глубине сварочной ванны.Селектор 21 вырабатывает импульсные сигналы, временное положение которых соответствует моменту измерения рассогласования и моменту ввода сигнала коррекции в обмотки отклоняющих систем. Селекция укаэанных сигналов осуществляет подачей на логические элементы 25 и 26 импульсных сигналов с выхода экстрематора 17 и подачей сигналов с соответствующих выходов компаратора 23 и триггера 24,Блок 22 коррекции служит для определения величины и знака сигнала коррекции, Сигнал коррекции формируется путем перезаписи на втором устройстве 27 выборки- хранения сигнала рассогласования. снимаемого с первого устройства 27 выборки-хранения с одновременным суммированием на сумматоре 28. Сигнал коррекции корректирует положение точки сходимости развертки в сварочной ванне,Способ реализуется устройством, которое функционирует следующим образом,В процессе работы сварочной пушкой 1 формируется электронный пучок 29, Отклоняющие системы 2 и 3 создают вращающиеся электромагнитные поля, под воздействием которых формируется круговая сходящаяся развертка пучка. Условие сходимости развертки пучка обеспечивается фаэовым сдвигом на 180 векторов магнитных полей в идентичных обмотках первой и второй отклоняющих систем 2 и 3, а также превышением величины тока в обмотках второй отклоняющей системы. Это достигается подключением усилителей 6 и 7 магнитной развертки к генератору 4 круговой развертки через сумматоры 9 и 10, которые обеспечивают инвертирование и суммирование сигналов генератора 4 с амплитудно-модулированными сигналами аналоговых перемножителей 11 и 12,Начальное положение точки 31 сходи- мости развертки устанавливается в пределах сварочной ванны опорным напряжением Ео снимаемым с шины 20. Опорное напряжение Ео через сумматор 19 подается на управляющие входы аналоговых перемножителей 11 и 12, с выхода которых снимают сигналы круговой развертки генератора 4. пропорциональные Ео.Периоди .еское перемещение точки сходимости по глубине сварочной ванны обеспечивается сигналом треугольной формы Е 1 (фиг,2) генератора 18. Напряжение треугольной формы суммируется на сумматоре 19 с опорным напряжением Ео шины 20 и подается на управляющие входы аналоговых перемножителей 11 и 12, Под воздействием суммарного управляющего сигнала осуществляется амплитудная модуляция сигналов круговой развертки генератора 4. Амплитудная модуляция сигналов генератора 4 круговой развертки приводит к периодическому измерению угла у) отклонения, а следовательно, к возвратно-поступательному движению точки 31 сходимости развертки по глубине сварочной ванны,В процессе сварки взаимодействие пучка 29 с материалом изделия 32 характеризуется плавлением и испарением металла, а следовательно, ионным током 30 плазмы. Минимальное значение переменной составляющей ионного тока плазмы характеризует минимальные возмущения в сварочной ванне, что в свою очередь определяет область стабильных гидродинамических процессов, Ионный ток 30 плазмы регистрируется коллектором 13, который подключен к отрицательному полюсу источника 14 смещения, последовательно соединенного с преобразователем 15 ток - напряжение. Так как точка 31 сходимости развертки в процессе сварки периодически перемещается по глубине сварочной ванны под воздействием сигнала Е 1 генератора 18 треугольных колебаний, то на выходе преобразователя 15 формируется модулированный сигнал Е 2 переменной составляющей ионного тока плазмы, при этом минимальное значение переменной составляющей соответствует оптимальному положению точки 31 сходимости развертки по глубине сварочной ванны изделия 32.С выхода преобразователя 15 сигнал Е 2 ионного тока поступает на демодулятор 16, где происходит выделение сигнала Е 3 огибающей с последующей подачей этого сигнала на экстрематор 17, Функция экстрематора 17 сводится к формированию импульсов Е 4, временное положение которых соответствует экстремальным значениям огибающей Е 3.Импульсные сигналы Е 4 с выходаэкстрематора 17 поступают на вход селектора21. В селекторе происходит выделение импульсных сигналов Г 5 и Г 6, временноеположение которых соответствует минимальному значению составляющей ионноготока, а также их разделение на импульсы Е5, соответствующие такту измерения, и импульсы Г 6, соответствующие такту коррекции.На первой вход селектора 21 поступаетсигнал Г 1 с генератора 18 треугольных колебаний, а на второй вход поступает импульсная последовательность сигналов Е 4с выхода экстремагора 17,В селекторе 21 (фиг,3) сигнал Е 1 (фиг,4)генератора 18 подается на входы сдвоенного компаратора 23 и триггера Шмитта 24, Навыходе компаратора 23 формируется сигналЕ 11, длительность которого определяетсядопусковыми порогами Е Е, а на выходетриггера 24 формируются сигналы Е 12, Г 13,длительность которых определяется путемгистереэиса, согласованный с порогами ЕЕнИмпульсная последовательность Г 4 подается на входы логических элементов 25 и26, двэ других входа которых связаны с выХодом компаратора 23 и триггера 24, Первый логический элемент 25 при подаче навход сигналов Е 4, Г 11, Г 12 селектируетимпульсы Е 5, соответствующие такту измерения, а второй логический элемент 26 приподаче на вход сигналов Е 4, Г 11, Г 13селектирует импульсы Г 6, соответствующие такту коррекции. Сигналы Г 5 и Г 6 свыхода селектора 21 подаются на импульсные входы блока 22 коррекции.В блоке 22 (фиг,5) коррекции производится измерение сигнала Г 13 рассогласования с последующим формированиемсигнала Г 7 коррекции. Измерение сигналарассогласования Г 14 (фиг,6) производитсяв момент прихода сигнала Г 5 на импульсныйвход первого устройства 27 выборки-хранения.Измерение производится путем запоминаниямгновенного значения напряжения Г 1, подаваемого на аналоговый вход устройства 27. Поприходу сигнала Г 6 на импульсный вход второгоустройства 27 выборки-хранения происходитформирование сигнала Г 7 коррекции. Так каквторое устройство выборки-хранения охваченообратной связью через сумматор 28, то формирование сигнала Г 7 коррекции производитсясуммированием на сумматоре 28 каждогопоследующего отсчетного значения сигнала Г 14рассогласования с его предыдущим значением. Сигнал Г 7 коррекции поступает на третий сумматор 19 (фиг.1), где суммируется с сигналами Г 1 Ео. Суммарный сигнал Е 8 воздействует на управляющие входы пере 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 множителей 11, 12 и изменяет амплитуду сигналов Г 9, Г 10 генератора 4 круговой развертки, Изменение амплитуды сигналов Е 9,Г 10 круговой развертки приводит к изменению угла р отклонения, что в конечном итоге приводит к смещению точки 31 сходимости развертки в направлении ее оптимального положения, Методом последовательного приближения, то есть за несколько тактов измерения, точка сходи- мости переместится в свое оптимальное положение, Это положение характеризуется нулевым сигналом рассогласования и минимальным значением в этой точке переменной составляющей ионного тока 30 плазмы.Введение в устройство коллектора ионного тока, источника смещения и преобразователя ток-напряжение позволяет вести измерения переменной составляющей ионного тока плазмы. Введение селектора, блока коррекции, генератора треугольных колебаний и третьего. сумматора позволяет автоматически перемещать точку сходимости развертки на оптимальную глубину, минимизируя переменную составляющую ионного тока плазмы.Реализация способа осуществлялась на электронно-лучевой аппаратуре типа ЭЛА 60/60 с помощью устройства, выполненного на основе схемы, приведенной на фиг.1.Способ и устройство для его осуществления были опробованы при сварке кольцевых стыков марок 10 ХСНД, 15 ХГНМФ, 24 Х 2 НМФА толщиной 60 - 120 мм, Сварка производилась на режимах: ускоряющее напряжение 60 кВ, ток сварки 350-800 мА, скорость сварки 3,5-9 м/ч, диаметр круговой развертки луча 0,8-1,2 мм, частота локальной развертки 1 = 660 - 1100 Гц.Механические испытания и металлографические исследования продольных и поперечных шлифов сварных соединений показали, что качество швов в соединениях соответствует требованиям технических условий, В корневой части шва устранены несплавления и раковины, а в металле шва предотвращены трещины, усадочные раковины и поры.Измерением сигнала рассогласования по минимальной величине ионного тока плазмы обеспечивают саморегулирование положения точки сходимости по глубине сварочной ванны, При этом стабилизируются гидродинамические процессы, протекающие в сварочной ванне, эффективно подавляются выбросы плазмы из канала проплавления, Это приводит к снижению дефектов в литой зоне, а следовательно, повышению качества сварных соединений.Настоящее техническое решение повышает стабильность формирования шва и улучшает качество сварных соединений путем сглаживания возмущений в канале проплавления, устранения корневых дефектов за счет поддержания увеличенного радиуса корневой части канала проплавления.Формула изобретения 1, Способ электронно-лучевой сварки, при котором осуществляют круговую сходящуюся развертку двухпреломленного электронного пучка с колебанием по глубине сварочной ванны точки сходимости развертки, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения качества сварных соединений путем стабилизации гидродинамических процессов в сварочной ванне, в процессе сварки измеряют величину переменной составляющей ионного тока плазмы, а положение точки сходимости развертки по глубине сварочной ванны устанавливают по минимальной величине переменной составляющей ионного тока плазмы.2. Устройство для электронно-лучевой сварки, содержащее электронно-лучевую пушку с двумя отклоняющими системами. расположенными вдоль электронно-оптической оси пушки на двух уровнях. генератор круговой развертки, амплитудный демодулятор, четыре усилителя магнитной развертки, выходы которых соединены с обмотками отклоняющих систем, а входы электрически связаны с генератором круговой развертки, входы двух магнитных усилителей первой отклоняющей системы соединены с генератором через аналоговые перемножители, а входы двух магнитных усилителей второй отклоняющей системы соединены с генератором через два суммирующих усилителя. о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в устройство дополнительно введены коллектор ионного тока плазмы, источник смещения. преобразователь ток-напряжение, вход которого соединен с коллектором, а выход подключен к амплитудному демодулятору, шина смещения, третий сумматор, первый вход которого соединен с шиной 5 10 15 20 25 30 35 40 45 смещения, экстрематор, селектор, блок коррекции, генератор треугольных колебаний, выход которого подключен к аналоговому входу блока коррекции, второму входу третьего сумматора и первому входу селектора, второй вход которого соединен с выходом зкстрематора, вход которого подключен к выходу амплитудного демодулятора, при этом выходы селектора подключены к импульсным входам блока коррекции, выход которого соединен с третьим входом третьего сумматора, выход которого соединен с управляющими входами аналоговых перемножителей,3. Устройство по и 2, отл ича ю щеес я тем, что селектор выполнен в виде электрически связанных между собой сдвоенного компаратора, триггера Шмитта и двух логических элементов И-ИЛИ-НЕ, при этом входы компаратора и триггера Шмитта объединены и подключены к выходу генератора треугольных колебаний, входы первого логического элемента подключены к выходу компаратора, неинвертирующему выходу триггера Шмитта и выходу экстрематора, входы второго логического элемента подключены к выходу компаратора, инвертирующему выходу триггера Шмитта и выходу экстрематора, при этом выходы логических элементов подключены к импульсным входам блока коррекции,4, Устройство по п,2. о т л и ч а ю щ е ес я тем, что блок коррекции выполнен в виде последовательно соединенных сумматора и двух устройств выборки-хранения, при этом импульсный вход первого устройства выборки подключен к выходу первого логического элемента селектора, а импульсный вход второго устройства выборки подключен к выходу второго логического элемента селектора, аналоговый вход первого устройства выборки подключен к выходу генератора треугольных колебаний, а выход соединен через сумматор с аналоговым входом второго устройства выборки, выход которого подключен к второму входу сумматора.1 о 69672 Составитель И.ФролоТехред М,Моргентал Редактор Н,Горе орректор О Кравцов роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина,Заказ 2702 Тираж 497 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГК 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5