Введение к работе
Актуальность работы.
Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) в атмосфере является сравнительно новой и перспективной технологией получения неразъемных соединений.
Высокая скорость сварки, некритичность к зазорам в стыке свариваемых деталей, отсутствие необходимости вакуумирования рабочего пространства определяют целесообразность применения этого вида ЭЛС, например, в условиях массового производства.
Вместе с тем, особенности ЭЛС в атмосфере - малое рабочее расстояние (менее 30 мм), обусловленное значительным рассеянием электронов в атмосфере, невозможность перемещения луча из-за шлюзовой конструкции электронно-лучевой пушки (ЭЛЛ), затрудняют совмещение луча со стыком при сварке. Для этой цели в технологию ЭЛС включают пробные проходы без сварки, корректируя положение свариваемых деталей в соответствии с показаниями индикаторов совпадения направления сварки с направлением стыка. Такой процесс объективно трудоемкий при невысокой точности, и отрицательно сказывается на производительности ЭЛС в атмосфере.
В связи с этим очевидна необходимость автоматизации наведения луча на стык непосредственно во время сварки. При этом, традиционные методы получения информации о положении луча относительно стыка (по вторичным электронам, тормозному рентгеновскому излучению), используемые при ЭЛС в вакууме, оказываются неприемлемыми при ЭЛС в атмосфере.
Теме автоматизации технологических процессов ЭЛС в атмосфере посвящены работы таких научных коллективов, как Институт электросварки имени Е.О. Патона (О.К, Назаренко), институт Манфреда фон Арденне (ФРГ), Институт материаловедения Ганноверского университета им. Готфрида Вильгельма Лейбница (А. Бенфли, Т. Хассель).
Направления работ этих коллективов связаны, в основном, с исследованием металлургических процессов в сварочной ванне и обеспечением требуемого формирования сварного шва.
Необходимость обеспечения технологических комплексов средствами автоматизации позиционирования луча по стыку при ЭЛС в атмосфере определяет актуальность работ в этом направлении.
В настоящей работе рассмотрены вопросы использования зависимости магнитного поля токов в деталях от положения луча относительно стыка и вопросы построения на основе этой зависимости устройств автоматического наведения луча на стык.
Цель работы.
Повышение точности совмещения луча со стыком и уменьшение трудоемкости технологического процесса ЭЛС в атмосфере.
Основные задачи:
- анализ систем управления положением электронного луча относительно
стыка свариваемых деталей в технологических комплексах ЭЛС в атмосфере и
выбор информационных сигналов;
исследование распределения магнитного поля токов в свариваемых деталях при различных положениях луча относительно стыка;
определение структуры и схемотехнических решений устройства управления положением электронного луча при ЭЛС в атмосфере;
- испытания САУ.
Область исследования. Работа выполнена в соответствии с пунктом 1 "Автоматизация производства заготовок, изготовления деталей и сборки", паспорта специальностей ВАК (технические науки, специальность 05.13.06 -автоматизация и управление технологическими процессами и производствами).
Методы исследования.
Результаты и выводы, представленные в диссертации, обоснованы математически с использованием аппарата теории функций, дифференциальных уравнений, уравнений Максвелла, экспериментальными исследованиями, моделированием на ЭВМ. При решении задачи синтеза САУ использовались методы теории автоматического управления.
Научная новизна. К научной новизне полученных результатов можно отнести:
-
Обосновано наличие информационной составляющей о положении стыка по магнитному полю над заваренным участком, позволяющее реализовать систему управления технологическим процессом ЭЛС в атмосфере.
-
Разработана математическая модель способа контроля положения стыка по магнитному полю над заваренным участком стыка деталей, устанавливающая зависимость величины вертикальной составляющей магнитного поля и положения луча относительно стыка деталей при ЭЛС в атмосфере.
-
Предложен и математически обоснован метод оценки погрешности наведения на стык по магнитному полю над заваренным участком стыка, основанный на учете технологических факторов - превышение кромок, разнородности свариваемых материалов, разнотолщинности деталей при ЭЛС в атмосфере.
4. Разработана система, позволяющая реализовать автоматическое
наведение луча на стык при ЭЛС в атмосфере.
Практическая значимость. На основе диссертационных исследований разработана система управления положением электронного луча относительно стыка свариваемых деталей.
Теоретические результаты доведены до простых инженерных рекомендаций, позволяющих производить и эксплуатировать устройства
управления, удовлетворяющие требуемой точности в составе технологических сварочных комплексов ЭЛС в атмосфере.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке системы автоматического управления положением электронного луча в составе сварочной установки NV-EBW 25-175 TU фирмы PTR Prazisionstechnik GmbH для ЭЛС в атмосфере. Пробные испытания проводились на сварочной установке ЭЛУ-9Б с энергокомплексом ЭЛА 60/15. При испытаниях погрешность совмещения луча со стыком составила ±0,3мм.
Результаты работы использованы в учебном процессе для курсов «Автоматизация сварочных процессов» и «Элементы автоматики».
Основные положения, выносимые на защиту
- способ управления положением электронного луча, основанный на
идентификации магнитного поля в окололучевой зоне и положения луча
относительно стыка при сварке в атмосфере;
распределение магнитных полей в окололучевой зоне, вызванных током в свариваемых деталях;
математическая модель системы управления положением электронного луча с феррозондовым датчиком магнитного поля при сварке в атмосфере;
определение влияния на точность системы управления положением электронного луча технологических факторов процесса;
структурные и функциональные схемы системы автоматического управления положением электронного луча.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных научных конференциях Electron Beam Technology (Varna, 2012), XV, XVI и XVII «Решетневские чтения» (Красноярск, 2011, 2012, 2013 гг.), Научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «Информационные спутниковые системы имени академика М.Ф. Решетнева» «Разработка, производство и эксплуатация космических аппаратов и систем», посвященной 50-летию полета в космос Ю.А.Гагарина (Железногорск, 2011), Международной научно-технической конференции «Сварка и контроль - 2013» (Пермь, 2013), XXXIII Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий (Миасс, 2013), 7 международной научно-технической конференции «Beam Technologies and Laser Application Proceedings» (Санкт-Петербург, 2012), на научно-практическом семинаре кафедры «Систем автоматического управления» (Красноярск, 2011 г.), на научно-практическом семинаре кафедры «Информационно-управляющих систем» (Красноярск, 2013 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ в отечественных и зарубежных изданиях, из них 5 статей в научных изданиях из перечня ВАК. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура работы. Диссертационная работа включает в себя страниц текста, иллюстрации и список литературы из наименований. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.
