Способ электронно-лучевой сварки и устройство для его осуществления

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

РЕСПУБЛИН (д)5 В 23 К 15/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К A ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЬЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРИТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

l(21) 4323482/27

1 (22) 02. 11. 87 (46) 30. 06. 91. Бюл. Р 24 (71) Институт электросварки им. Е.О.Патона (72) 10.Г.Куцан, В.В.Гумовский, .Н.Ковбасенко, К.А.Сукач, С.Я.Макарихин и Л.В.Тур (53) 621.791.72:62 1.9.048.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1323298, кл. В 23 К 15/00, 1 986. (54) СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЦЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к машиностроению и предназначено для электронно-лучевой сварки с использованием локальных колебаний пучка в зоне на- грева. Цель изобретения — повышение качества сварных соединений путем устранения дефектов кристаллизации за счет симметричного переноса жидкого металла из зоны расплава в зону кристаллизации. Способ заключается в периодическом перебросе сканирующего

Из о бре тение о т носится к машиностроению и предназначено для электронно-лучевой сварки с использованием локальных колебаний электронного пучка 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..,Я0„„1659183 А 1 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 такта сканирования осуществляют задержку пучка в упрежденной точке на время, кратное периоду развертки. Устройство содержит двухкоординатную отклоняющую систему, квадратурный генератор и два усилителя развертки. Устройство управления объединяет синхронизатор, амплитудный детектор, коммутатор развертки и детектор нуля. Синхронизатор по сигналам квадратурного генератора управляет работой электронный ключей, обеспечивая запрограммированный ре-. жим сканирования. Дефекты кристалли-, зации металла шва устраняются путем управляемого переноса металла в сварочной ванне. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Согласно способу электронно-лучевой сварки производят периодический переброс пучка в процессе его сканиро-. вания 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 сканирования, при этом изменение направления сканирования производят с временным интервалом, равным половине

16591 8

Периода развертки. Кроме то го, 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 s этом точке направления сканирования через врейенной интервал, равный половине периода развертки, обеспечивают движе1аие пучка по дугам окружности, расположенным симметрично относительно стыка изделия. Начало движения по каж-, дой дуге осуществляют из упрежденной точки в направлении хвостовой части сварочной ванны. После каждого скани,рования осуществляют фиксацию (за держку) 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 ре-2 гулир уют 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 образова

35 нием множества центров кристаллизациИ.

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 перемеще- 45 ний пучка в плоскости изделия; на фиг. 3 — временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг.4функциональная схема синхронизатора; на фиг ° 5 - временные диаграммы по я с някицие работу синхронизатора.

Устройство для электронно-лучевой сварки содержит электронно-лучевую пушку 1 с электромагнитной отклоняю щей системой 2, квадратурный генера55 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

4

2, 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 квадратурно го генератора 3, сумми.рукщий 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, à его выход подключен к обнулякщему входу (R — установки в ноль) счетчика 19. Вход второго логического элемента И-HE 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 сва рочной пушки 25 — свариваемое изделие, 26 — траектория перемещения электронного пучка при сканировании;

27 - линия переброса пучка; А, А, А>, A4. - упрежденные точки; В„, В ,точки переброса; Т - период развертки; Х, 7 — координатные оси; V — 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 sin(at и созда, которые используются для сканирования электронного пучка 24.

t 659183

Первый 6 и второй 7 усилители магнитной развертки служат для преобразования входного напряжения в. ток отклонения и выполнены по схеме преоб5 разователя напряжение — ток.

Синхронизатор 10 обеспечивает уп равление первым 8 и вторым 9 электронными ключами и управление амплитудным детектором 13. Счетчик 19 совмес -10 но с дешифратором 20 и первым логическим элементом И-НЕ 21 представляет собой счетчик заданного числа импульсов, устанавливаемого переключателем

23. Синхронизатор 10 формирует логические сигналы с учетом заданного времени фиксации пучка в упрежденной точке.

Амплитудный детектор 13 обеспечивает формирование напряжения смещения 20 пучка на время его фиксации (остановки) в упрежденной точке и выполнен по схеме амплитудного детектора со сбросом и в процессе работы отслеживает амплитудное значение раэвертывакщего напряжения.

Суммирунзций усилитель 14 выполня« ет функцию суммирования развертывающего напряжения квадратурного генератора 3 и напряжения смещения с выхо30 да амплитудного детектора 13.

Коммутатор 17 развертки инвертирует фазу напряжения развертки на 180" с временным интервалом, равным Т/2 и выполя ен на операционном усилителе

35 и ключе, подключенном к HeHHBepTHpylo" щему входу.

Детектор 18 нуля обеспечивает преобразование синусоидального напряжения квадратурного генератора 3 в ло- 40 гические сигналы с жесткой привязкой к нулевому- уровню и выполнен на операционном усилитете, в цепь обратной связи которого включен диод.

Устройство функционирует следующим образом.

В процессе работы электронно-лучевой пушки 1 формируется электронный . пучок 24. Под воздействием магнитных полей двухкоординатной электромагнит. ной отклоняющей системы 2 электронный пучок 24 сканирует поверхность свариваемого изделия 25. Сканирование производят по замкнутой траектории, при этом пучок описывает две полуокружности, расположенные симметрично относительно стыка иэделия (фиг.2) °

Сканирование пучка осуществляется под воздействием управлякщих сигналов квадратурного генератора 3. Сигналы генератора 3, пропорциональные s in ЯС и соз Я1, подаются на обмотки электромагнитной отклоняющей системы 2 через первый 6 и второй 7 усилители магнитной развертки. На первый усилитель 6 напряжение F1 (фиг.Ç), пропорциональное cosQt 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 F2 (фиг.З), пропорциональное

sinQt, подается с первого выхода 4 квадратурного генератора 3 непосредственно через второй электронный ключ 9.

Переброс пучка с инверсией напряжения сканирования выполняется коммутацией напряжения Г1 (фиг.Ç) квадратурного генератора 3.

Коммутация напряжения развертки

F1 производится на 180 временным интервалом, равным Т/2. Коммутация осуществляется коммутатором 17 развертки, на управляющий вход которого подают последовательность логических сигналов FÇ (фиг.3) с выхода детектора 18 нуля. При наличии на управляющем входе коммутатора 17 развертки логических сигналов на его выходе формируется напряжение F4 (фиг.3), которое используется для развертки пучка по каналу Х.

Таким образом под воздействием сигнала F2 по каналу Y и сигнала F4 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  . 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 A3 определяется скоростью V> перемещения изделия (пушки) °

Операцию по фиксации пучка в упрежденной точке производят отключением развертывающих напряжений F2, F4 и подключением на это время напряжения

F6 смещения пучка в упрежденную точку. Отключение развертывещих напряжений осуществляется первым 8 и вто7 165 рым 9 электронными ключами, на управ ляющие входы которых подают логические сигналы F5 (фиг ° 3) с выхода 12 синхронизатора 10.

По приходу на вход 11 синхронизатора 10 последовательности логических сигналов FÇ (фиг.5a) с детектора

18 нуля на выходе 12 синхронизатора формируются сигналы F5 с уровнем "0" (иг.5б) ° Длительностью сигналов F5 определяет время фиксации пучка в упрфжденной точке. Это время выбирают ! пропорциональным периоду развертки Т и устанавливают переключателем 23 °

Переключатель 23 соединяет один из выходов дешифратора 20 с входом перво( гф логического элемента И-НЕ 21, сиг-" нал с выхода которого поступает на обнуляюций вход счетчика 19, устанав лнвая его в нулевое состояние. Так как по счетному С-входу счетчик 19 переключается по заднему фронту вход" ного сигнала, то по приходу первого сигнала "1" на вход счетчика 19 на в)Ыходе "0" дешифратора 20 устанавливается уровень "1", а на выходе "1"

3, ешифратора устанавливается уровень 0" (фиг.5 в,г). По приходу следующих ь мпульсов FÇ значение уровня "0" уста" вдавливается на последующих выходах дешифратора (фиг.5 д,е).

При появлении сигнала "0" на выхо" де дешифратора 20, соединенного со начетчиком 19, через переключатель 23

Йа обнуляющем входе счетчика 19 появляется импульс (фиг.5 ж). Счетчик 19 фбрасывается в ноль и цикл повторяет-. ся. Так как на время счета на выходе

" 0" дешифратора устанавливается уровень "1", то после инвертирования вторым логическим элементом И-НЕ 22 на выходе 12 синхронизатора 10 формиру" ется сигнал "0", длительность которо го определяется числом и периодов развертки Т. Число периодов и устайавливается переключателем 23.

УЧитывая скорость V перемещения безделия, пучок за время пТ переместится из точки А в точку А, из кото. рой начинается новый цикл сканирования (фиг.2).

Перемещение пучка в упрежденную точку по окончании цикла сканирования и его фиксация в этой точке на рремя пТ осуществляется напряжением

F6 которое формируется амплитудным детектором 13. Так как амплитудный детектор 13 управляется логическими

Формула изобре тения

1. Способ электронно-лучевой сварки, при котором производят периодический переброс пучка в процессе его сканирования по замкнутой симметрично расположенной относительно стыка траектории, отличающийся тем, что, с целью .повышения качества сварных соединений путем устранения дефектов кристаллизации за счет сим50

55 метричного переноса жидкого металла

9183 б сигналами F5 синхронизатора 10, то при наличии на управляющем входе детектора 13 сигнала "1" на его выходе напряжение Рб (фиг. 3) равно нулю, а при наличии на управляющем входе детектора 0" — на его выходе формируется напряжение, равное амплитуде развертывающего напряжения F1, Напряжение Fá с выхода детектора 13. подают на .второй вход 16 суммирующего усилителя 14. Под воздействием этого напряжения пучок смещается в упрежденную точку и удерживается в этом положении на время фиксации пучка. По окончании этого временного интервала производят переключение электронных ключей и сброс амплитудного детектора 13, после чего цикл работы повтоt

20 ряется.

Реализация способа осуществлялась на электронно-лучевой аппаратуре ти1 па ЭЛА60/60 с помощью устройства, выполненного по схеме на фиг.1 °

Способ электронно-лучевой сварки и устройство для его осуществления были опробованы при электронно-лучевой сварке изделий из стали 10ХСНД, 15ХСНД, 15Г2АФ10 толщиной 20-60 мм.

Частотный диапазон развертки при сканировании выбирался в пределах 400—

1000 Гц. Время фиксации пучка регулировалось в пределах 1 — 10 периодов развертки. Энергетические параметры пучка выдерживались в пределах:

Ч,„= 60 Кв, Х„= 250 — 350 М, I = 925 мА.

Исследование сварных соединений показало высокое качество сварных

40 швов. В сварных швах устранена эона слабины", что исключает дефекты кристаллизации, поры и горячие трещины.

Это объясняется периодический и симметричным переносом жидкого металла

45 из зоны расплава в зону кристаллизациие

1659183

10 из зоны расплава в зону кристаллизации, переброс сканирукицего 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, равнык 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 отклонякицей системой, квадратурный генератор, два усилителя магнитной развертки, выходы которых соединены с соответствукицими обмотками отклонякицей 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 квадратурного генератора, а выход подклю" Г чен к входу синхронизатора и управляющему входу коммутатора развертки, вход которого соединен с вторым выходом квадратурного генератора,а выход через первый электронньй ключ — с первым входом суммирукщего усилителя, выход которого подключен к входу первого усилителя магнитной развертки, а второй вход суммирукщего усилителя

;соединен с выходом амплитудного де,тектора, вход которого подключен к ! второму входу квадратурного генератора, причем выход синхронизатора соединен с управляющими входами первого и второго электронных ключей и с управ" лякицим 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 и второй логические элементы И-НЕ, причем счетный вход счетчика соединен с выходом детектора нуля, а обнулякщий 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 е выходом счетчика, нулевой выход дешифратора подключен к входу второго логического элемента

И-НЕ, выход которого подключен íà yrr равляющие входы электронных ключей.

1659183

С6

1659183

Редактор Т.Лазоренко

Заказ 1806 Тираж 524 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35,, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина

g yo й

Vc

Составитель В. Пучинский

Техред С.Мигунова Корректор Т.Колб