Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ развития технологии, электрооборудования и систем управления установок прецизионной электронно-лучевой сварки
1.1. Технология прецизионной электронно-лучевой сварки 17
1.2. Электрооборудование установок для прецизионной сварки 29
1.3. Системы управления электронно-лучевыми установками для прецизионной сварки 41
1.4. Формулирование целей и задач исследования 57
Выводы по главе 1 59
ГЛАВА 2. Теоретические основы формирования сварных соединений тонкостенных изделий и особенности управления процессом прецизионной электронно-лучевой сварки
2.1. Особенности формирования сварного соединения и управления процессом при прецизионной электронно-лучевой сварке 60
2.2. Комплексная методика моделирования процессов, протекающих при электронно-лучевой сварке 67
2.3. Энергетическая эффективность процесса прецизионной электронно-лучевой сварки 85
2.4. Экономичные имитационные модели процесса электроннолучевой сварки тонкостенных изделий 99
2.5. Применение аналитических моделей сварочных процессов 107
Выводы по главе 2 ПО
ГЛАВА 3. Особенности технологического оборудования для прецизионной электронно-лучевой сварки и методы исследования режимов его работы
3.1. Принцип действия, конструкция и характеристики электронных пушек для сварки малогабаритных изделий 111
3.2.Методы исследования режимов работы электронных пушек 114
3.3. Системы фокусировки и перемещения электронного пучка 121
3.4. Особенности схем и конструкции манипуляторов для перемещения изделий с технологической оснасткой 135
3.5. Основные принципы построения вакуумных систем установок для прецизионной электронно-лучевой сварки 144
Выводы по главе 3 149
ГЛАВА 4. Электрооборудование для прецизионной электронно-лучевой сварки
4.1. Классификация и принципы построения источников электропитания электронно-лучевых сварочных установок 151
4.2. Системы защиты от пробоев высокого напряжения 158
4.3. Влияние динамических характеристик источников питания на работу электронной пушки при сварке 178
4.4. Аномальные режимы работы источников электропитания 194
Выводы по главе 4 199
ГЛАВА 5. Концепция построения систем и алгоритмов управления процессом прецизионной сварки
5.1. Классификация систем управления процессом электроннолучевой сварки 201
5.2. Особенности систем управления процессом прецизионной сварки 202
5.3. Концепция построения систем управления процессом прецизи онной сварки 206
Выводы по главе 5 214
ГЛАВА 6. Системы управления параметрами электронного пучка
6.1. Методика идентификации электронного пучка как объекта
управления при сварке 215
6.2. Методы реализации непрерывных систем управления параметрами электронного пучка 234
6.3. Особенности построения систем электропитания и управления
при импульсных режимах сварки 240
6.2. Динамические характеристики канала отклонения луча 250
Выводы по главе 6 256
ГЛАВА 7. Системы управления перемещением изделия
7.1. Задачи, решаемые системами управления перемещением изделия 257
7.2. Управление перемещением в непрерывных режимах сварки 259
7.3. Управление перемещением в импульсных режимах сварки 273
7.4. Системы управления процессом сварки по каналу перемещения изделия 277
Выводы по главе 7 281
ГЛАВА 8. Методы управления и контроля параметров процессов прецизионной сварки
8.1. Решение задач управления процессом сварки с использованием моделей 282
8.2. Методы непрерывного контроля параметров режима сварки 287
Выводы по главе 8 298
ГЛАВА 9. Экспериметальные исследования процессов формирования сварных соединений
9.1. Методики и стенды для экспериментальных исследований процессов электронно-лучевой сварки 299
9.2. Экспериментальная проверка адекватности разработанной модели тепломассопереноса при сварке 303
9.3. Определение технологических параметров прецизионной электронно-лучевой сварки 307
Выводы по главе 9 320
ГЛАВА 10. Концепция проектирования оборудования и систем управления для прецизионной сварки
10.1. Комплексный подход в проектировании оборудования для прецизионной электронно-лучевой сварки 321
10.2. Концепция построения систем управления процессом прецизионной электронно-лучевой сварки 328
Выводы по главе 10 332
Заключение 334
Библиографический список 337
- Электрооборудование установок для прецизионной сварки
- Комплексная методика моделирования процессов, протекающих при электронно-лучевой сварке
- Системы фокусировки и перемещения электронного пучка
- Влияние динамических характеристик источников питания на работу электронной пушки при сварке
Введение к работе
Актуальность проблемы
Электронно-лучевая технология обеспечивает проведение процесса сварки плавлением в технологическом вакууме 10-1…10-5 Па. К известным преимуществам технологии относится возможность получения сварных швов с отношением глубины шва к ширине более 10, а также достижение плотности мощности в пятне нагрева до 107 Вт/см2, что обеспечивает минимизацию сварочных деформаций и зоны структурных превращений. Поэтому с момента создания первых образцов оборудования, в которых мощность электронного пучка не превышала 1 кВт, прослеживалось стремление разработчиков к повышению его мощности, что было необходимо для проведения однопроходной сварки изделий больших толщин (свыше 100 кВт). Однако на сегодняшний день в машиностроении возникла потребность в оборудовании для электронно-лучевой сварки малогабаритных и тонкостенных изделий, с толщинами стенок менее 1 мм, или прецизионной сварки. Развитие вакуумной техники, электроники и систем управления, обеспечивает высокую точность управления параметрами процесса, компактность и энергетическую эффективность оборудования. Это позволяет в этой области в полной мере использовать и такие преимущества электронно-лучевой сварки, как безынерционность изменения параметров электронного пучка и надежная защита изделия от взаимодействия с атмосферными газами.
Процесс сварки тонкостенных малогабаритных изделий может длиться всего несколько секунд, а в ряде случаев – менее секунды, что обусловлено необходимостью снижения вводимой энергии для предотвращения перегрева или деформации. Эти обстоятельства повышают требования к точности регулирования процесса сварки, и зачастую вынуждают оператора методом «проб и ошибок» определять параметры технологического режима, что приводит к повышению затрат времени и материальных ресурсов. Внедрение микропроцессорной техники для управления параметрами технологического режима электронно-лучевой сварки и непрерывной регистрации данных в процессе сварки значительно расширяет возможности оборудования. Использование таких систем повышает точность управления процессом, но не позволяет отказаться от экспериментального определения параметров режима, что обусловлено повышенными требованиями к точности и скорости регулирования параметров процесса. Как показывает практика, особые требования предъявляются не только к системам управления, но и к исполнительной части – источникам электропитания, приводам, средствам контроля и наблюдения.
Таким образом, для удовлетворения современных требований качества сварных соединений малых толщин, воспроизводимости параметров технологического процесса прецизионной сварки, энергетической эффективности и экономичности производства, необходима разработка концепции с целью систематизации процесса разработки основных элементов электронно-лучевого оборудования для прецизионной сварки, включая системы управления. Построение систем управления в этом случае должно базироваться на глубоком анализе процессов преобразования энергии в источниках электропитания, а также при формировании электронного пучка и сварного шва в изделии. Разработка концепции и основ теории построения систем управления процессами в сварочной ванне обеспечит возможность получения сварных соединений с заданными характеристиками в автоматическом режиме. При этом особенно актуально определять не только параметры режима сварки, но и закон их регулирования, обеспечивающий воспроизводимость характеристик сварного соединения и требуемый температурный режим изделия заданной формы. Решение данной задачи позволит создавать современное электронно-лучевое оборудование для прецизионной сварки, оснащенное программно-аппаратными комплексами для управления, обеспечивающими повышение точности и воспроизводимости заданных параметров сварных соединений.
Решаемая проблема – совершенствование методов управления процессами в сварочной ванне при сварке малогабаритных и тонкостенных изделий, обеспечивающих повышение эффективности сварочного оборудования и снижение брака.
Объектом исследования являются процессы, протекающие в электронно-лучевой установке для сварки прецизионных изделий.
Предмет исследования: процессы, протекающие в электронно-лучевой пушке, сварочной ванне, источниках питания и системах управления электронно-лучевых сварочных установок, а также методики проектирования режимов работы оборудования.
Цель исследования – разработка концепции, основ теории построения и методик проектирования режимов работы электрооборудования и систем управления установками, для прецизионной электронно-лучевой сварки, обеспечивающих повышение качества и воспроизводимость сварного шва на основания анализа физических процессов, протекающих при сварке в электронно-лучевых установках.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
-
Анализ современного состояния, тенденций развития и технологических требований к сварным соединениям тонкостенных изделий с целью выявления перспектив модернизации оборудования для прецизионной электронно-лучевой сварки, обеспечивающих повышение качества сварных соединений.
-
Разработка новых технических решений источников питания, электронных пушек, оснастки и систем управления, удовлетворяющих современным технологическим требованиям прецизионной электронно-лучевой сварки.
-
Разработка основ теории формирования сварного соединения тонкостенных деталей с использованием комплекса электротехнологического оборудования, включающего в себя электронно-лучевую установку, источники питания и системы управления процессом сварки.
-
Идентификация электронно-лучевой установки и процессов формирования сварного соединения как объектов управления.
-
Разработка моделей процессов, протекающих в сварочной ванне, источниках питания, исполнительных приводах перемещения изделия и системах управления.
-
Экспериментальное исследование процессов формирования сварных соединений в электронно-лучевых установках с целью выявления основных режимов работы оборудования при сварке тонкостенных и малогабаритных изделий, динамических характеристик подсистем, участвующих в технологическом процессе и зависимостей показателей качества сварного соединения от параметров оборудования и возмущающих факторов.
-
Экспериментальное исследование процессов в электронных пушках, источниках электропитания и приводах перемещения изделий для выявления особенностей режимов работы оборудования при сварке малогабаритных и тонкостенных изделий для уточнения параметров оборудования, обеспечивающего формирование сварного соединения.
-
Разработка и экспериментальная проверка параметрических моделей для управления процессом прецизионной электронно-лучевой сварки.
-
Совершенствование методов непрерывного контроля процессов в сварочной ванне для их использования при сварке тонкостенных и малогабаритных изделий.
-
Разработка общей концепции построения систем и алгоритмов управления установками для прецизионной электронно-лучевой сварки, обеспечивающих повышение качества и воспроизводимости параметров сварных соединений.
-
Аналитическое и экспериментальное исследования разработанных систем управления процессом прецизионной электронно-лучевой сварки с целью проверки полученных решений.
Методы исследования
При решении поставленных в диссертационной работе задач использованы: положения теории теплопередачи и массопереноса, теории сварочных процессов, теоретических основ электротехники и автоматического управления, аналитические и численные методы математического моделирования. При проведении расчетов использовались программные пакеты структурного имитационного моделирования, статистические методы Монте-Карло. Экспериментальные исследования проводились на действующем технологическом оборудовании. Для регистрации данных использовались поверенные средства измерений. Разработано программное обеспечение для снятия и обработки данных и управления технологическими режимами.
Обоснованность и достоверность научных результатов подтверждается корректностью принимаемых допущений, обоснованностью принятых методов исследований и совпадением теоретических и экспериментальных данных, полученных на действующих установках.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты анализа современного состояния и требований к прецизионной электронно-лучевой сварке, тенденций развития электрооборудования, систем управления и методик проектирования.
-
Метод теоретического анализа процессов преобразования энергии, протекающих в источниках электропитания, электронной пушке, и при взаимодействии электронного пучка с изделием.
-
Математические модели процессов, протекающих при прецизионной электронно-лучевой сварке и критерии оценки режимов работы электротехнологического оборудования.
-
Результаты обработки аналитических и экспериментальных данных, позволяющие сформулировать требования к программно-аппаратным технологическим комплексам для прецизионной электронно-лучевой сварки.
-
Методика комплексного проектирования электрооборудования, систем управления и режимов работы электронно-лучевых установок для прецизионной сварки.
-
Методика использования параметрических алгоритмов для управления процессом сварки тонкостенных и малогабаритных изделий и исследования динамических характеристик процесса.
-
Методологический подход к определению структуры системы управления современной электронно-лучевой установки для прецизионной сварки.
-
Примеры применения научных и технических решений, предложенных в работе, для повышения технологических показателей сварных соединений тонкостенных и малогабаритных деталей.
Научная новизна работы заключается в следующем.
-
В результате анализа современных технологических требований и уровня развития элементной базы, разработана новая концепция построения систем управления процессом и проектирования режимов работы оборудования при электронно-лучевой сварке тонкостенных и малогабаритных изделий.
-
Разработаны и экспериментально обоснованы физико-математические модели для анализа процессов, протекающих при взаимодействии электронного пучка с материалом изделия и критерии для их применения.
-
На основании результатов аналитических и экспериментальных исследований разработана методика определения технологических режимов прецизионной электронно-лучевой сварки, обеспечивающая расчет временных зависимостей регулируемых параметров установки, выбор частоты и формы импульсов тока электронного пучка, параметров развертки и перемещения.
-
Разработаны компьютерные параметрические модели для математического описания процессов в источнике электропитания, электронной пушке, и в свариваемом изделии, пригодные для использования в составе программно-аппаратного комплекса для управления процессом электронно-лучевой сварки.
-
Предложен оригинальный алгоритм старт-стопного управления шаговым приводом для перемещения изделия в установках для прецизионной сварки, обеспечивающий расширение диапазона используемых технологических режимов сварки.
Практической ценностью обладают предложенные в работе методики определения технологических режимов прецизионной электронно-лучевой сварки, а также оригинальные технические решения, реализованные в электрооборудовании для электронно-лучевой сварки. С использованием методик, которые базируется на физико-математической модели процесса электронно-лучевой сварки, был создан ряд параметрических моделей, реализуемых программно в диалоговом режиме. Технически реализован принцип использования параметрических моделей для управления процессами прецизионной сварки в электронно-лучевой установке с помощью микропроцессорных средств. Показана перспективность проведения сварки в импульсном режиме с варьируемой формой импульса тока электронного пучка, и старт-стопным управлением приводом перемещения изделия. Предложен ряд технических решений, обеспечивающих повышение энергетической эффективности, экономичности при производстве и гибкости управления элементами электрооборудования установок для прецизионной электронно-лучевой сварки, которые защищены патентами.
Реализация результатов работы. Основные результаты работы использованы при выполнении госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполняемых в ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», связанных с разработкой технологии сварки изделий, применяемых в энергетическом машиностроении, точном приборостроении и медицинской промышленности. Часть работ выполнялась по программам развития приоритетных направлений науки и техники.
Предложенные технические решения и методики определения параметров технологических режимов сварки использованы в работах, выполняемых ОАО «ЭлектроИнтел» и ООО «НПП «Мелитта-УФ».
Элементы комплексной методики проектирования электронно-лучевого технологического оборудования, предложенной в работе, использованы при чтении лекций, руководстве выполнения курсовых и дипломных проектов студентов.
Апробация работы
Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на IX-X Всероссийских семинарах «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», Москва, 2009-2011, XX Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения, Москва, 2008, XI-XII Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», Алушта, Украина, 2008-2010, Всероссийская научно-техническая конференция «Успехи современной электротехнологии», г.Саратов, 2009, Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий», г. Екатеринбург, 2011, VIII-ой Международной научно-практической интернет-конференции "Энерго- и ресурсосбережение - XXI век ", г. Орел, 2010, Международной конференции «Информационные технологии и математическое моделирование в науке, технике и образовании», г. Бишкек, Киргизия, 2011, Всероссийской конференции "Интеграция науки и образования как фактор опережающего развития системы профессионального образования", г. Москва, 2011, Постоянно-действующем семинаре по вакуумной технике, г. Москва, 2009-2011, XVII Congress energy, economically sound, ecologically respectful, educationally enforced electrotechnologies , St.Petersburg, 25.05.2012
Публикации
Основные результаты диссертации изложены в 32 печатных работах, в том числе 19 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, и четырех патентах.
Структура и объем диссертации
Электрооборудование установок для прецизионной сварки
Использование пучков ускоренных электронов для прецизионной сварки и размерной обработки металлов имеет известные преимущества по сравнению с технологиями, основанными на иных физических принципах. На существующем оборудовании для прецизионной сварки при фокусировке электронного пучка на поверхности изделия толщиной 0,1-0,5 мм удается получать каналы проплавлення шириной не более 200 мкм с отношением глубины шва к ширине до 5-7. При этом мощность источника нагрева может превышать 1 кВт [146]. Такие показатели могут быть достигнуты только при высокоточной обработке на лазерном технологическом оборудовании, отличающимся, однако, меньшим КПД.
Первые исследования, показавшие потенциальную возможность плавления материалов под воздействием пучка ускоренных электронов, были проведены еще на рубеже XIX - XX веков У. Круксом, а позже М. Пирани. В период становления электронной оптики (20 - 40-е годы XX века), Дж. Р. Пирсом, В. Глазером и др. были разработаны теоретические основы расчета электронных приборов и электронно-оптических систем. В это же время были созданы телевизионные электронно-лучевые трубки (В. К. Зворыкин), просвечивающие и сканирующие электронные микроскопы (М. Руденберг, Э.Руска, М. фон Арденне). В начале 50-х годов независимо друг от друга К. X. Штейгервальд (Carl Zeiss AEG, ФРГ) и Ж. А. Стор (Atomic energy commission, Франция) впервые в мире провели процессы электронно-лучевой сварки. Позднее К. X. Штейгервальдом, Ж. А. Стором и А. Лоренцом (Heraeus AG, ФРГ) были созданы первые образцы сварочных электронно-лучевых установок, и опубликован ряд научных работ [36]. Данные установки отличались невысокой мощностью электронного пучка (менее 3 кВт), на них проводили сварку деталей толщиной до 5 мм.
В Советском Союзе 1957-1958 г. под руководством Н.А.Ольшанского (МЭИ) и Б.А. Мовчана (Институт электросварки им. Е. О. Патона) независимо от работ иностранных ученых были проведены исследования по применению электронно-лучевой сварки. В эти же годы был открыт эффект глубокого «кинжального» проплавлення [36, 145]. Это открытие и определило направление развития технологии на последующие десятилетия.
В период 60-70 годов XX века сформировались научные школы и производства, специализирующиеся на разработке электронно-лучевого оборудования и технологий. На западе разработки вели фирмы Steigerwald strahlechnik (ФРГ), Leybold-Heraeus (ФРГ), Von Ardenne Institute (ГДР), Pro Beam (ФРГ), Sciaky (Франция), Cambridge Vacuum Engineering (Великобритания), Lawrence Livermore Lab (США), Osaka university (Япония). В СССР разработки велись в ИЭС им. Е.О. Патона, ПО «Электрон», НПО «Орион», ПОМЗ, НПП «Исток», ВЭИ им. В.И.Ленина, НИАТ. Следует отметить, что в этот период развитие оборудования шло преимущественно в направлении повышения мощности электронного пучка, что стало возможным благодаря появлению мощных высоковольтных электронных приборов (пролетных пентодов), обеспечивающих стабилизацию режима работы электронных пушек и защиту оборудования при возникновении эксплуатационных пробоев. Были созданы установки мощностью до 150 кВт, в которых за один проход осуществляли сварку металлов толщиной до 400 мм [125].
Следующий условный этап развития технологии и оборудования для электронно-лучевой сварки, обозначился на рубеже 1980-х годов, и длится по настоящее время. Благодаря появлению мощных IGBT транзисторов, микроконтроллеров, промышленных компьютеров и широкому внедрению прецизионного шагового привода, наметились новые тенденции в развитии оборудования для электронно-лучевой сварки. Это, во-первых, повышение точности и гибкости управления параметрами в автоматическом режиме, во-вторых - снижение массы, габаритов, и стоимости оборудования за счет использования современных материалов и компонентов.
Снижение стоимости и трудоемкости эксплуатации оборудования обусловили его широкое внедрение в самые различные отрасли машиностроения. В последнее время интерес к электронно-лучевой сварке и пайке тонкостенных изделий с толщинами до 1 мм, или прецизионной сварки, значительно вырос. Сегодня данная технология активно внедряется в производство изделий вакуумной и криогенной техники, медицинских имплантов, точной механики, микродвигателей, малогабаритных теплообменников, гироскопических приборов, корпусов микроэлектронных приборов, а также пайке металлокерамических изделий и выводов микросхем.
Как показывает практика, мощность электронного пучка при осуществлении упомянутых процессов, изменяется в диапазоне 0,1-1 кВт. Поэтому данный класс оборудования занимает промежуточное положение между установками для микросварки, которые строятся на базе электронных микроскопов [29,30], и мощными сварочными установками, используемыми для сварки деталей больших толщин. Технические и компоновочные решения, используемые ранее в установках малой мощности, таких как ЭЛУРО [146], или ЭЛУМС-25/0.5 [66], сегодня нуждаются в частичной или полной переработке, ввиду изменения технологических требований и элементной базы. Кроме того, в РФ на сегодняшний день отсутствуют, как государственные, так и отраслевые стандарты в области оборудования и технологий прецизионной электронно-лучевой сварки. Эти обстоятельства вынуждают разработчиков проектировать оборудование, либо используя компоненты мощных серийных сварочных электронно-лучевых установок, либо внедряя совершенно новые технические решения в условиях отсутствия нормативной документации. Очевидна необходимость разработки специальных технических решений, а также методики комплексного проектирования установок данного класса. Для решения этой задачи необходимо учитывать особенности технологии сварки тонкостенных изделий, а также принимать во внимание накопленный опыт в области создания сварочных установок малой мощности.
Схема типовой электронно-лучевой установки, применяемой на сегодняшний день для сварки малогабаритных тонкостенных изделий, приведена на рис. 1.1. В состав установки входят: электронная пушка 1, вакуумная камера 2, манипулятор 3, оснастка для установки изделия 4, система вакуумной откачки 5, источник электропитания 6, и система управления 7.
Для малогабаритных изделий предпочтительна схема с неподвижной электронной пушкой и перемещаемым изделием. Электронная пушка является основным технологическим «инструментом» установки, определяющим энергетические и геометрические характеристики теплового источника, возникающего в изделии при воздействии пучка электронов. В состав электронной пушки входит катод 8, анод 9, и управляющий электрод 10. Электроны, эмитируемые катодом, ускоряются и фокусируются в электрическом поле, формируемым системой электродов «катод - управляющий электрод -анод». Корректировка пространственного положения пучка осуществляется системой юстировки 11, а его фокусировку на плоскости изделия обеспечивает фокусирующая магнитная линза 12. Для отклонения электронного пучка от оси симметрии пушки применяются отклоняющие системы 13. Для наблюдения за ходом процесса используются оптические системы 14.
Любую технологическую электронно-лучевую установку можно представить состоящей из двух комплексов: электромеханического и энергетического. Энергетический комплекс состоит из электронной пушки, системы электропитания и управления. В состав электромеханического комплекса входит вакуумная камера, система откачки, манипулятор, и оснастка для установки изделия.
Комплексная методика моделирования процессов, протекающих при электронно-лучевой сварке
Одной из центральных проблем управления процессом электроннолучевой сварки является проблема наведения пучка на стык свариваемых деталей и слежения за положением стыка в процессе сварки [97,124]. Для определения относительного положения пучка и стыка и получения изображения поверхности свариваемых деталей используются два основных типа датчиков. Это оптические датчики (микроскопы, видеокамеры и фотоприемные устройства), либо датчики вторично-эмиссионных сигналов (отраженных и вторичных электронов, рентгеновского излучения).
Высокие скорости процесса и малые размеры сварочной ванны затрудняют процесс настройки фокусировки пучка по «свечению» на поверхности изделия, и управления мощностью в процессе сварки. Поэтому на первом этапе (60-70 гг.) в установках рассматриваемого класса применялись системы оптического наблюдения с возможностью увеличения изображения. Для поворота изображения использовались заземленные зеркала с проводящим по-крытием. Защита оптических поверхностей от напыления осуществлялась с применением прозрачных перематываемых пленок, как в устройстве, запатентованном фирмой PTR [39]. В настоящее время разработаны устройства, позволяющие использовать изображения в видимом и инфракрасном спектре для автоматического определения параметров сварки. Как правило, в таких устройствах используется цифровая видеокамера. Для защиты оптических поверхностей устройств от осаждения паров разработаны различные методы, например, съемка ведется через удлиненную форсунку, через которую продувается инертный газ [40]. На рис. 1.9 приведены изображения, получаемые с использованием оптических сенсоров различного типа. На рис. 1.9, а, показано изображение, полученное с помощью цифровой видеокамеры, установленной над свариваемыми изделиями. По свечению нагреваемого металла устанавливается положение электронного пучка, что необходимо для наведения его на стык свариваемых деталей. Этот метод используется на кафедре Технологии металлов МЭИ для отработки технологии сварки внутрикорпус-ных элементов защитного модуля бланкета международного экспериментального термоядерного реактора ITER. Наведение осуществляется в режиме малых токов (обычно 5-10 мА), при повышении тока из-за напыления частиц металла на объектив происходит полная потеря изображения. Однако, даже в случае использования защитных устройств, стандартные видеокамеры не обеспечивают четкого изображения сварочной ванны из-за интенсивного свечения металла и продуктов выброса, о чем свидетельствует изображение (рис. 1.9, б), предоставленное фирмой Melt Tools [19]. Для устранения эффекта «засветки» фоточувствительных элементов применяются светофильтры, например интерференционного типа. На рис. 1.9, в, приведена фотография сварочной ванны, полученная с помощью устройства Meltview-100 [19]. Для получения картины температурного поля на поверхности изделия необходимо использовать сенсоры другого типа, обеспечивающие получение изображений в ИК области. На рис. 1.9, г, приведен снимок сварочной ванны, полученной при исследовании процесса ЭЛС разнородных сталей с помощью инфракрасной камеры Santa-Barbara Focal Plane ST-8 [23]. Использование быстродействующих камер обеспечивает возможность создания «следящих» систем управления режимом сварочной ванны. Например, при заданном положении фокуса электронного пучка для получения требуемой температуры и размеров сварочной ванны, необходимо регулировать величину тока пучка или скорость сварки, что может быть реализовано аппаратным путем.
К сожалению, оптические методы обладают рядом недостатков и не позволяют контролировать глубину сварного шва и гидродинамические процессы в канале проплавлення. Кроме того, процессы испарения могут контролироваться только косвенным путем, по свечению приповерхностной плазмы, которое обычно наблюдается при «острой» фокусировке пучка. Для наведения на стык, а также для контроля процессов формирования канала можно использовать сигналы, характеризующие отражение и вторичную эмиссию электронов из сварочной ванны.
При пересечении стыка пучком электронов изменяются интенсивность потока отраженных электронов и ее распределение в пространстве. Сигнал отраженных электронов можно регистрировать с помощью коллектора, представляющего собой пластину, соединенную через сопротивление с корпусом установки. Схема сканирования стыка в процессе сварки приведена на рис. 1.10.
Системы фокусировки и перемещения электронного пучка
Численное решение уравнений (2.12)-(2.24) позволяет рассчитывать форму сварочной ванны и тепловое поле с учетом скорости движения потоков расплавленного металла, что необходимо, например, для расчета формы сварного шва при сварке с глубоким «кинжальным» проплавлением, однако, не учитывает процессы, протекающие при взаимодействии электронов с частицами пара.
Часть мощности электронного пучка при прохождении его через газовую среду может затрачиваться при рассеянии электронов на частицах газовой фазы, что приводит к нагреву газа, его ионизации и в ряде случаев, к образованию плазмы. Мощность, рассеиваемая при прохождении пучка через парогазовый канал зависит от плотности газовой среды, которая увеличивается по направлению к нижней части канала, и от энергии первичных электронов, влияющей на сечение рассеяния.
Известно, что большая часть мощности электронного пучка рассеивается на «дне» канала, т.е. в той его части, где плотность паров приближается к плотности жидкой фазы. Это положение подтверждается результатами исследований работы сканирующего электронного микроскопа в форвакуумной области давлений при различных давлениях остаточных газов [17]. Более высокая степень разрежения в электронной пушке обеспечивалась за счет использования диафрагмы, разделяющей откачиваемые объемы. Установлено, что при малых токах пучка (до 2 нА) при ускоряющем напряжении 25 кВ с ростом давления в области дрейфа электронов от 10" до 270 Па ток пучка на мишени снижается более, чем на 30% . Влияние остаточного давления в этом случае оказывается сильнее при снижении энергии первичных электронов. При прочих равных условиях увеличение плотности газа в вакуумной камере приводит к снижению плотности тока электронного пучка на изделии, этот эффект получил название "Skirting". Аналогичный эффект наблюдается и при увеличении атомной массы подаваемого в камеру газа.
Сталкиваясь с молекулами газа, первичные электроны могут производить ударную ионизацию, в результате которой образуется положительный ион и электрон. Этот электрон можно называть медленным, потому что его энергия в среднем имеет порядок 1-10эВ, что значительно меньше энергии первичных электронов. Таким образом, при взаимодействии электронного пучка с газом (в том числе, и с металлом в газовой фазе), возможно образование плазмы. В случае, если ионизация происходит не в области дрейфа электронов, а в пространстве между анодом и катодом электронной пушки, т.е. при наличии градиента потенциала вдоль оси электронного пучка, ионы будут изменять условия генерации пучка. Данное явление наблюдается в установках без дифференциальной откачки объема пушки. В этом случае возможна компенсация расталкивающего действия собственного заряда электронного пучка, и повышение плотности тока электронов, аналогично тому, как это происходит в электронных пушках с ионной инжекцией, что по-видимому, и объясняет наблюдаемый в ряде работ эффект увеличения глубины проплавлення при подаче газа в вакуумную камеру. Однако, при этом ионная бомбардировка значительно сокращает срок службы термокатодов.
Учет процессов протекающих при прохождении электронного пучка сквозь газовую среду в рассмотренных выше моделях взаимодействия пучка с твердым и жидким металлом образуют комплексную систему, позволяющую выбирать режим сварки и проектировать системы управления, обеспечивающие требуемые показатели технологического процесса.
В процессе формирования шва при ЭЛС принимают участие все три рассмотренные выше вида взаимодействия электронного пучка с металлом. Решение уравнений (2.4) - (2.24) позволяет получить характеристики сварного шва и на их основе разрабатывать алгоритмы управления процессом.
На рис. 2.11 приведена структурная схема физико-математической модели процесса ЭЛС, иллюстрирующая последовательность расчета. Для определения технологических режимов в модели в численном виде решается нестационарная самосогласованная задача тепломассопереноса.
В качестве исходных данных для каждого временного шага выступают: температурное поле в изделии, положение границ фазовых переходов и мгновенное распределение плотности паров металла. На изделие воздействует электронный пучок с заданными геометрическими и энергетическими характеристиками WQ и It{x,y,z). В соответствии с размерами элементов принятой координатной сетки для каждого элементарного объема с координатами х, у, z определяются условия взаимодействия первичных электронов с материалом. На следующем этапе, после решения комплексной задачи рассеяния электронов в материале с учетом формы поверхностей границ фазовых переходов, определяются параметры тепловых источников в твердой, жидкой и газовой фазах. На этом же этапе рассчитываются коэффициенты обратного рассеяния электронов при взаимодействии пучка с металлом в твердой, жидкой и газообразной фазах, которые определяют мгновенное значение термического КПД. Такой подход позволяет учесть, например, повышение КПД при образовании канала проплавлення.
Влияние динамических характеристик источников питания на работу электронной пушки при сварке
На рис. 3.6. схематично показана схема фокусировки электронного пучка полем тонкой линзы в двух случаях. На рис 3.6, а электронный пучок представлен «идеальным». Влияние собственного объемного заряда пучка, а также разброса по углам вылета и тепловым скоростям электронов, не учитывается. В таком случае кроссовер пучка представляет собой точку, размер которой практически равен размеру электрона. Траектории электронов, входящих в поле линзы, образуют конусы с общей вершиной в точке кроссовера. В случае, если линза также идеальна, можно пренебречь влиянием хроматической и сферической аберрации, и изображение кроссовера, также будет представлять собой точку.
На практике такая ситуация невозможна (рис 3.6, б). Электроны покидают катод с различными начальными скоростями, и имеют различные углы вылета. Из-за воздействия собственного отрицательного заряда, при движении на малых скоростях, электронный пучок расширяется. Эти факторы, а также влияние аберраций электронно-оптической системы пушки, приводят к тому, что траектории электронов не являются прямыми, а кроссовер представляет собой пятно, имеющее размеры намного большие, чем размер электрона.
Схема фокусировки электронного пучка в сварочной электронной пушке: а - идеальный случай (без учета влияния объемного заряда, разброса по начальным скоростям и углам вылета, а также аберраций системы); б - реальный случай; К - катод пушки; Кр - плоскость кроссовера пучка; Л -плоскость линзы; И - плоскость изделия
Если продлить траектории частиц, входящих в поле магнитной линзы, то вершины воображаемых «конусов» не будут совпадать. В существующих технологических пушках диаметр кроссовера изменяется в пределах 10-500 мкм. Но диаметр пучка в плоскости изделия превосходит эту величину. Это обусловлено влиянием аберраций линзы, а также эффектом увеличения. Чем дальше изделие расположено от линзы, тем больше будет минимально возможный диаметр пучка. Увеличение линзы (масштаб изображения М) может быть рассчитано по выражению
При приближении изделия к линзе, минимальный диаметр пучка на изделии будет уменьшаться. Однако, при этом будет возрастать апертурный угол, что является отрицательным фактором с технологической точки зрения. Кроме того, конструировать сварочные пушки, у которых расстояние линза-кроссовер превосходит расстояние линза- изделие, нерационально, так как размеры колонны будут неоправданно большими.
Из изложенного следует, что при разработке электронных пушек для прецизионной сварки необходимо обеспечивать минимальный размер изображения катода со стороны магнитной линзы, т.е. диаметр пятна, образованного мысленным продлением траекторий частиц, входящих в поле линзы. Для определения этого параметра не столь важно положение реального кроссовера пучка и его диаметр. Наиболее важен сравнительный анализ распределений плотности тока электронного пучка в пространстве дрейфа электронов. Необходимо добиться максимального приближения вида зависимостей j(r) к функции нормального распределения во всех сечениях пучка в заанод-ном пространстве пушки. Это обеспечит воспроизводимость геометрических параметров пучка на различных режимах ее работы (при регулировании тока и плоскости фокусировки), сделает возможным точный анализ процессов те-пломассопереноса при различных степенях фокусировки и синтез параметров сварки расчетными методами. Кроме того, при соблюдении этого условия, возможно определение угла расходимости пучка и задания этих параметров в идентификационной модели электронной пушки.
В случае если параметры электронного пучка определены с помощью модели (3.5-3.8), расчет характеристик электронного пучка в плоскости изделия (или пятна нагрева) может быть произведен исходя из фокусного расстояния магнитной линзы, а также значений а и Ь.
Для расчета фокусного расстояния линзы по выражению (3.14) необходимо знать распределение индукции на оси системы B(z). Аналитический расчет B(z) для линз с магнитопроводом неосуществим, так как необходимо учитывать форму магнитопровода и магнитный гистерезис его материала. Распределение индукции может быть определено экспериментальным методом (например, с помощью магнитометра), однако для всех режимов работы линзы, включая динамические, это весьма трудоемко. Поэтому целесообразно использовать численные методы решения уравнений Максвелла в пакетах прикладных программ.
Расчетная модель магнитной фокусирующей линзы имеет панцирный магнитопровод толщиной h с тороидальным зазором шириной 8. По обмотке, состоящей из п витков, уложенных в окне с размерами axb протекает ток /ф. Требуется определить фокусное расстояние линзы.
