Способ электронно-лучевой сварки

Авторы патента:

Трушников Дмитрий Николаевич (RU)

Беленький Владимир Яковлевич (RU)

Кротова Елена Львовна (RU)

Варушкин Степан Владимирович (RU)

B23K15/02 - схемы управления для этих целей

Владельцы патента RU 2494846:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" (RU)

Способ электронно-лучевой сварки с контролем и управлением удельной мощности электронного луча непосредственно в процессе сварки может быть использован для изготовления сварных изделий из конструкционных материалов. Из спектра колебаний вторичного тока в диапазоне частот 5-125 кГц выделяют сигнал переменной составляющей, включающей диапазон частот, содержащий «пик» спектральной плотности, который подвергают статистической обработке. Строят эмпирические плотности распределения указанного сигнала в амплитудном диапазоне. Затем в зависимости от измеренных величин параметров эмпирической плотности распределения, таких как дисперсия, среднеквадратичное отклонение, модальное значение эмпирической плотности распределения в моде или отношение значения плотности распределения к среднеквадратичному отклонению или к дисперсии, а также от внешнего вида эмпирической плотности распределения, задают ток фокусировки, соответствующий максимальной удельной мощности электронного луча. В результате достигают повышение точности контроля фокусировки электронного луча и расширение функциональных возможностей способа при проведении сварки в режиме глубокого проплавления как статичным, так и осциллирующим или модулированным лучом в диапазоне мощностей от 1,5 до 15 кВт за счет использования дополнительного информационного параметра. 7 ил., 1 пр.

Изобретение относится к области электронно-лучевой сварки и может быть использовано при электронно-лучевой сварке конструкционных материалов с контролем и управлением удельной мощности электронного луча непосредственно в процессе сварки.

Известен способ электронно-лучевой сварки, при котором модулируют удельную мощность электронного луча путем наложения на ток луча и (или) на ток фокусирующей линзы электронной пушки переменного напряжения с заданной частотой. Фокусировку электронного луча регулируют по переменной составляющей вторичного тока, имеющей частоту, равную частоте модуляции удельной мощности луча, определяют два максимума зависимости от тока фокусировки амплитуды и (или) ненормированной спектральной плотности составляющей вторичного тока с частотой, равной частоте модуляции удельной мощности электронного луча, и устанавливают фокусировку луча по минимальному значению амплитуды и (или) ненормированной спектральной плотности этой составляющей, регулируя ток фокусирующей линзы в интервале между его значениями, соответствующими максимумам амплитуды и (или) спектральной плотности данной составляющей [Патент РФ №2183153, B23K 15/00, 2002 г.].

Недостатком известного способа является то, что он обеспечивает достаточную точность контроля фокусировки электронного луча при сварке малой мощностью (не более 2.5 кВт) и только при сварке пучком модулированной мощности.

Наиболее близким к описываемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ электронно-лучевой сварки с контролем удельной мощности электронного пучка в зоне взаимодействия с металлом, при котором фокусировку электронного луча устанавливают по сигналу, получаемому в результате выделения и обработки переменных составляющих вторичного тока с пересекающимися частотными спектрами [Авторское свидетельство №1468700, B23K 15/00, 1989 г.].

Известный способ обеспечивает достаточную точность контроля фокусировки электронного луча при сварке малой мощностью (не более 2,5 кВт) и только при сварке статичным лучом. При модуляции и осцилляции электронного луча и при сварке с мощностями >2,5 кВт данный метод не обеспечивает достаточной точности контроля фокусировки.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении точности контроля фокусировки электронного луча и расширении функциональных возможностей способа при проведении сварки в режиме глубокого проплавления как статичным, так и осциллирующим или модулированным лучом в диапазоне мощностей от 1,5 до 15 кВт за счет использования дополнительного информационного параметра.

Задача решается за счет того, что в при осуществлении заявляемого способа электронно-лучевой сварки с контролем удельной мощности и тока фокусировки электронного луча, согласно изобретению, в процессе сварки регистрируют вторичный ток в цепи, содержащей источник напряжения смещения и резистор нагрузки, затем из спектра колебаний вторичного тока в диапазоне частот 5-125 кГц выделяют сигнал переменной составляющей, включающей диапазон частот, содержащий «пик» спектральной плотности, который подвергают статистической обработке путем с получением зависимости эмпирической плотности распределения указанного сигнала в амплитудном диапазоне и параметров эмпирических плотностей распределения в виде дисперсии, среднеквадратичного отклонения, модального значения эмпирической плотности распределения или отношения значения плотности распределения к среднеквадратичному отклонению или к дисперсии эмпирической плотности распределения от тока фокусировки, и устанавливают ток фокусировки для сварки, соответствующий максимальной удельной мощности электронного луча, при котором отношение модального значения к дисперсии эмпирической плотности распределения или отношение модального значения к среднеквадратичному отклонению или модальное значение эмпирической плотности распределения максимальны, дисперсия эмпирической плотности распределения максимальны или среднеквадратичное отклонение минимальны.

Заявляемый способ позволяет с высокой точностью контролировать фокусировку электронного луча благодаря использованию дополнительного информационного параметра при осуществлении последовательных действий согласно формуле изобретения.

Введение дополнительного информационного параметра позволяет выявлять, например, соответствие максимальной удельной мощности минимальному значению дисперсии или наибольшему модальному значению плотностей распределения, или максимальной величине отношения модального значения плотности распределения к среднеквадратичному отклонению.

Указанные преимущества способа обеспечивают высокое качество сварки в режиме глубокого проплавления как статическим, так и осциллирующим или модулированным лучом, обеспечивая высокую точность контроля фокусировки электронного луча в широком диапазоне мощностей от 1,5 до 15 кВт и в широком диапазоне технологических воздействий на луч.

Изобретение проиллюстрировано следующим образом.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства, предназначенного для осуществления заявляемого способа. Устройство содержит электронную пушку 1 с фокусирующей линзой 2, блок управления 3 током фокусировки I_ф. Коллектор 4 электронов для регистрации вторичного тока связан с полосовым фильтром 5, блоком 6 построению эмпирической функции плотности распределения сигнала и устройством 7 визуализации. В процессе сварки регистрируют вторичный ток в цепи, который включает резистор 8 нагрузки и источник 9 смещения напряжения. Свариваемое изделие обозначено позицией 10.

На фиг.2 представлена зависимость спектральной плотности распределения S от частоты f вторичного тока в спектре колебаний вторичного тока в диапазоне частот 5-125 кГц при сварке изделия из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т.

На фиг.3 представлена осциллограмма сигнала переменной составляющей Data, включающей диапазон частот, содержащих «пик» спектральной плотности.

На фиг.4 показаны результаты проведения электронно-лучевой сварки стали статичным лучом мощностью 9 кВт на 8-ми различных токах фокусировки I_ф. Представлены эмпирические плотности распределения в амплитудном диапазоне сигнала переменной составляющей, включающей диапазон частот, содержащих «пик» спектральной плотности. Там же приведены модальные значения и дисперсии эмпирических плотностей распределения в амплитудном диапазоне. В таблице показаны также поперечные шлифы и геометрические параметры проплавления, полученные при сварке на соответствующих режимах.

Фиг.5 - зависимость модальных значений эмпирической плотности распределения f_max от тока фокусировки электронного луча I_ф на 8-ми различных токах фокусировки.

Фиг.6 - зависимость дисперсии эмпирической плотности распределения о от тока фокусировки электронного луча I_ф на 8-ми различных токах фокусировки.

Фиг.7 - зависимость глубины проплавления h от тока фокусировки электронного луча I_ф на 8-ми различных токах фокусировки.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

В установке для электронно-лучевой сварки в процессе сварки регистрируют вторичный ток в цепи, содержащей источник 9 напряжения смещения и резистор 8 нагрузки. Напряжение с резистора 6 нагрузки, пропорциональное величине вторичного тока, обрабатывается полосовым фильтром 5 с целью выделения из спектра колебаний вторичного тока в диапазоне 5-125 кГц сигнала переменной составляющей, включающей диапазон частот, соответствующих «пику» спектральной плотности. Сигнал с выхода фильтра 5 поступает в блок 6, где он обрабатывается. В результате обработки получают эмпирические плотности распределения и параметры эмпирических плотностей распределения (фиг.4). Оператор, ориентируясь на указанные параметры и внешний вид эмпирической плотности (кривые на фиг.4) устанавливают с помощью блока 3 ток фокусировки 1ф, при котором либо отношение модального значения к дисперсии эмпирической плотности распределения или отношение модального значения к среднеквадратичному отклонению или модальное значение эмпирической плотности распределения будут максимальными (фиг.5), либо дисперсия или среднеквадратичное отклонение будут минимальными (фиг.6). Получаемая при установленном токе фокусировки I_ф глубина проплавления свариваемого изделия 10 максимальна и соответствует максимальной удельной мощности, выделяемой в зоне сварки.

Экспериментальное опробование способа осуществлялось на образцах из сталей 12Х18Н10Т, ЭП-609 и из титанового сплава ОТ4 на различных электронно-лучевых сварочных установках с различными источниками питания, изменяя в широких пределах значения токов фокусирующей системы и мощностей электронного луча (от 1.5 до 18 кВт). При выполнении сварочных проходов с помощью компьютерной информационно-измерительной системы на базе IBM-совместимого компьютера, оснащенного многоканальным аналого-цифровым интерфейсом, регистрировался вторичный ток, проходящий в цепи коллектора, расположенного над зоной сварки и находящегося под положительным потенциалом 24-40 В. Результаты регистрации записывались в файл для дальнейшей обработки. Частоты дискретизации в проведенных экспериментах равнялись 83 кГц и 250 кГц. Пример осуществления способа.

Способ был опробован на образцах из стали 12Х18Н10Т на электронно-лучевой сварочной установке с источником питания ЭЛА-60/60 при сварке мощностью 9 кВт.

Сигнал с коллектора электронов, установленного над зоной сварки, обрабатывался с помощью компьютерной информационно-измерительной системы на базе IBM-совместимого компьютера, оснащенного многоканальным аналого-цифровым интерфейсом.

На фиг.2 изображен спектр сигнала колебаний вторичного тока в диапазоне 5-125 кГц при сварке стали 12Х18Н10Т статичным немодулированным недофокусированным лучом, построенный с помощью оконного преобразования Фурье. Виден отчетливый максимум на частоте около 17 кГц (частота и величина амплитуды зависят от свариваемого материала и от режима сварки). Аналогичный вид имеют все полученные спектрограммы.

Далее из спектра колебаний вторичного тока с помощью цифрового полосового фильтра выделялся сигнал переменной составляющей, включающей диапазон частот, содержащих «пик» спектральной плотности. Для стали 12Х18Н10Т диапазон принимался от 12,5 до 25 кГц. Результаты, аналогичные ниже описанным, получались и при выборе более узких и более широких диапазонов.

Осциллограмма полученного после фильтрации сигнала переменной составляющей, включающей диапазон частот, содержащих «пик» спектральной плотности, для режима «острой» фокусировки приведена на фиг.3. Полученный сигнал переменной составляющей, включающий диапазон частот, содержащих «пик» спектральной плотности, подвергали статистической обработке и строили эмпирическую плотность распределения в амплитудном диапазоне, т.е. считая частоту попадания сигнала в 30 поддиапазонов в амплитудном диапазоне.

На фиг.4 представлены эмпирические плотности распределения в амплитудном диапазоне сигнала переменной составляющей, включающей диапазон частот, содержащих «пик» спектральной плотности, при сварке стали 12Х18Н10Т статичным пучком мощностью 9 кВт на восьми различных режимах фокусировки. Там же приведены модальные значения и дисперсии эмпирических плотностей распределения в амплитудном диапазоне. На фиг.5, 6 приведены зависимости модальных значений и дисперсий от тока фокусировки, построенные по данным фиг.4. Из фиг.4,5 и 6 видно, что эмпирические плотности распределения имеют наибольшую высоту, максимальное модальное значение и минимальную дисперсию на режиме, соответствующем току фокусировки, равному 735 мА (номер прохода 5).

На фиг.4 также приведены поперечные шлифы и геометрические параметры проплавления, полученные при сварке на соответствующих режимах. Видно, что глубина проплавления h получилась максимальной при токе фокусировки, на котором наблюдались максимум модального значения и минимум дисперсии, т.е. 735 мА, что подтверждается графиком на фиг.7. Максимальное отношение глубины проплавления h к ширине шва в верхней части d наблюдается там, где максимально отношение модального значения к дисперсии.

Таким образом, указанные информационные параметры позволяют определять режим фокусировки, обеспечивающий максимальную глубину проплавления, и, следовательно, режим максимальной удельной мощности.

Аналогичные результаты имели место при сварке всех применявшихся в экспериментах материалов, во всех описанных выше режимах.

Способ электронно-лучевой сварки с контролем удельной мощности и тока фокусировки электронного луча, отличающийся тем, что в процессе сварки регистрируют вторичный ток в цепи, содержащей источник напряжения смещения и резистор нагрузки, затем из спектра колебаний вторичного тока в диапазоне частот 5-125 кГц выделяют сигнал переменной составляющей, включающей диапазон частот, содержащий «пик» спектральной плотности, который подвергают статистической обработке с получением зависимости эмпирической плотности распределения указанного сигнала в амплитудном диапазоне и параметров эмпирических плотностей распределения в виде дисперсии, среднеквадратичного отклонения, модального значения эмпирической плотности распределения или отношения значения плотности распределения к среднеквадратичному отклонению или к дисперсии эмпирической плотности распределения от тока фокусировки, и устанавливают ток фокусировки для сварки, соответствующий максимальной удельной мощности электронного луча, при котором отношение модального значения к дисперсии эмпирической плотности распределения или отношение модального значения к среднеквадратичному отклонению или модальное значение эмпирической плотности распределения максимальны, дисперсия эмпирической плотности распределения или среднеквадратичное отклонение минимальны.

Устройство для управления процессом электронно-лучевой сварки // 2467849

Катодный узел сварочной электронно-оптической системы с катодом косвенного подогрева электронной бомбардировкой // 2335383

Изобретение относится к оборудованию для электронно-лучевой сварки. .

Способ электронно-лучевой сварки труб // 2285599

Изобретение относится к способу электронно-лучевой сварки труб и может быть использовано при изготовлении каналов ядерных реакторов при сварке труб из циркония и титана.

Способ формирования микрорельефа поверхности изделий // 2248266

Изобретение относится к формированию микрорельефа поверхностей изделий и может найти применение в электронной технике. .

Способ электронно-лучевой сварки // 2237557

Изобретение относится к сварке, в частности к способу электронно-лучевой сварки, и может найти применение при изготовлении ответственных конструкций в различных отраслях машиностроения.

Система управления процессом электронно-лучевой сварки // 2161085

Способ контроля и позиционирования луча для обработки заготовок и устройство для его осуществления // 2155654

Изобретение относится к области обработки заготовок лучами, например сварке заготовок лазерным лучом. .

Способ сварки // 2111840

Изобретение относится к области сварки плавлением и позволяет расширить технологические возможности сварки. .

Способ контроля отклонения положения линии стыка при электронно-лучевой сварке // 2094197

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке конструкционных материалов для контроля отклонения стыка. .

Способ контроля электронно-лучевой сварки // 2495737

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке, в частности к способам контроля процесса электронно-лучевой сварки, и может быть использовано для сварки ответственных изделий со сложной геометрией и повышенными требованиями к качеству сварного соединения. Электронный луч периодически выводят из зоны сварки. Сканируют его поперек стыка. Регистрируют ток луча электронной эмиссии в каждой точке траектории сканирования, по изменению которого определяют положение стыка сварного соединения. Устанавливают зависимость тока от перемещения электронного луча и по этой зависимости оценивают геометрические параметры электронного луча. Дополнительно создают траекторию сканирования поперек стыка в области сформированного сварного шва. Регистрируют рельеф поверхности сварного шва, по которому оценивают качество сварного шва и осуществляют корректировку параметров сварки после совместной обработки основной и дополнительной траекторий сканирования. В результате осуществляется практически моментальная оценка качества сварного шва и соответственно - изменение параметров электронного луча, что повышает качество сварного соединения как при сварке продольных швов, так и кольцевых или сложнопрофильных. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ оперативного контроля электронно-лучевой сварки // 2519155

Изобретение относится к области электронно-лучевой сварки. Способ электронно-лучевой сварки осуществляется с оперативным контролем удельной мощности и степени фокусировки электронного луча, причем сварку проводят с осцилляцией электронного луча в частотном диапазоне от 300 до 2000 Гц по синусоидальному или линейному закону, в процессе сварки измеряют и подвергают фильтрации и выпрямлению сигнал вторичного тока в цепи коллектора электронов, затем проводят обработку отфильтрованного и выпрямленного или исходного сигнала вторичного тока методом синхронного накопления и измеряют величину запаздывания этого сигнала относительно сигнала тока в отклоняющих катушках. При этом током фокусировки управляют поддерживая упомянутую величину запаздывания сигнала на постоянном уровне, соответствующем заданной величине удельной мощности электронного луча. Техническим результатом при использовании изобретения является повышение качества формирования сварного шва в режиме глубокого проплавления осциллирующим электронным лучом. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

Способ электронно-лучевой сварки // 2532626

Изобретение относится к способу электронно-лучевой сварки. Сварку осуществляют со сквозным проплавлением и регулированием мощности электронного пучка. В процессе сварки регистрируют частоту и продолжительность импульсов сквозного тока. Электронно-лучевую сварку проводят с осцилляцией электронного пучка в частотном диапазоне от 300 до 2000 Гц по синусоидальному или линейному закону. Регулируют мощностью электронного пучка, поддерживая среднюю продолжительность импульсов или величину произведения средней продолжительности импульсов сквозного тока на их частоту на определенном уровне, обеспечивающем требуемое формирование шва. Техническим результатом является повышение точности и надежности регулирования электронно-лучевой сварки осциллирующим электронным пучком со сквозным проплавлением металлических изделий толщиной 5-40 мм. 3 ил.

Устройство для электронно-лучевой сварки // 2547367

Изобретение предназначено для осуществления процесса электронно-лучевой сварки в условиях действия магнитных полей, наводимых в свариваемом изделии. Устройство содержит электронно-лучевую пушку, фокусирующую систему, отклоняющие катушки, генератор сканирования электронного пучка поперек стыка и вдоль него, блок наведения электронного пучка на стык соединения, электропривод перемещения электронно-лучевой пушки, источник компенсирующего магнитного поля, рентгеновский датчик с щелевым коллиматором, установленный на электронно-лучевой пушке таким образом, что проекция коллимационной щели на поверхности свариваемого изделия совпадает с оптической осью электронно-лучевой пушки и расположена параллельно стыку соединения. Устройство также содержит соответствующие блоки обработки сигнала рентгеновского датчика, который используется для управления источником компенсирующего магнитного поля, выполненным, например, в виде электромагнита или двух источников тока, содержащих токоподводы, располагаемые сверху и снизу свариваемого изделия симметрично сварному шву в зоне его максимальной температуры. Изобретение позволяет компенсировать наведенные магнитные поля и тем самым повысить точность совмещения сварного шва со стыком изделия и повысить качество сварки. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ управления фокусировкой луча при электронно-лучевой сварке металлов и устройство для его осуществления // 2567962

Изобретение относится к области электронно-лучевой сварки металлов. Осуществляют синфазную осцилляцию фокуса электронного луча и осцилляцию продольных отклонений луча в частотном диапазоне от 300 до 2000 Гц по синусоидальному или линейному закону. Одновременно измеряют сигнал вторичного тока в цепи коллекторов электронов и обрабатывают методом синхронного накопления. Вычисляют величину запаздывания обработанного сигнала относительно сигнала тока в отклоняющих катушках. Управляют током фокусировки, поддерживая упомянутое значение запаздывания на постоянном уровне, соответствующем определенной величине удельной мощности электронного луча. Устройство содержит коллектор 1 электронов, источник 2 смещения, резистор 3 нагрузки, блок 4 измерения тока отклоняющих катушек 16, первый 5 и второй 6 аналого-цифровые преобразователи, блок 7 синхронного накопления, цифро-аналоговый преобразователь 8, ПИД-регулятор 9, блок 10 управления током фокусирующих катушек 15, блок 11 управления током отклоняющих катушек 16 и генератор 12 пилообразных или синусоидальных колебаний. Изобретение позволяет повысить качество формирования сварного шва. 2 н.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Способ электронно-лучевой сварки // 2569608

Изобретение относится к способу электронно-лучевой сварки. Периодически осуществляют регистрацию рентгеновского излучения из корневой части канала проплавления в плоскостях, поперечных каналу проплавления между плоскостями, расположенными с разных сторон и на равных расстояниях относительно ядра плазмы. Формируют управляющее воздействие по амплитуде и фазе составляющей интенсивности рентгеновского излучения, частота которой равна частоте регистрации. Технический результат заключается в стабилизации глубины проплавления в процессе сварки. 3 ил.

Устройство для определения распределения плотности энергии и контроля фокусировки электронного пучка // 2580266

Изобретение относится к устройству для определения распределения плотности энергии для контроля фокусировки электронного пучка при электронно-лучевой сварке. Устройство содержит контроллер 1 и преобразователь 2 поперечного распределения энергии электронного пучка в аналоговый сигнал. Преобразователь 2 содержит цилиндрический корпус 3 с открытым торцом 4 и закрытым торцом 5, щелевую диафрагму 6, коллектор 7 первичных и коллектор 8 вторичных электронов, разделительный стакан 9. Щелевая диафрагма 6 расположена внутри корпуса 3 преобразователя 2 в области его торца 4, электрически соединена с этим корпусом и содержит N1 радиальных щелей шириной h1 для дифференциальных измерений и N2 радиальных щелей шириной h2 для интегральных измерений поперечного распределения энергии электронного пучка так, что h2>h1 и N1>N2≥1. Коллекторы 7 и 8 соединены между собой электрически и изолированы от корпуса 3 при помощи разделительного стакана 9. Коллектор 7 выполнен в виде тела вращения с уменьшающейся площадью поперечного сечения в направлении от дна разделительного стакана к упомянутой щелевой диафрагме, соединен с входом нагрузочного резистора 10, выход которого соединен с корпусом 3. Коллектор 8 выполнен в виде полого цилиндра, установлен внутри разделительного стакана 9 соосно с ним и электрически соединен с коллектором 7, являющимся выходом упомянутого аналогового сигнала, предназначенного для его обработки контроллером 1. Технический результат: снижение потерь электронов в результате их вторичной эмиссии за счет изменения угла отражения электронов от коллектора первичных электронов. 3 ил.

Способ электронно-лучевой сварки кольцевых соединений титановых сплавов // 2644491

Изобретение относится к способу электронно-лучевой сварки (ЭЛС) кольцевых швов в вакууме титановых сплавов. Способ включает подготовку кромок под сварку, сборку их встык, плавление электронным лучом свариваемого стыка. Подготовку кромок выполняют с обеспечением радиального зазора между подкладным элементом и свариваемым стыком. Зазор образуют предварительной проточкой стыкуемых деталей, а подкладным элементом служит часть одной из стыкуемых деталей после ее проточки. Затем осуществляют электронно-лучевую сварку, используя круговую развертку пучка. Острый фокус электронного луча располагают выше поверхности свариваемого изделия. Величина зазора между свариваемыми кромками и подкладным элементом составляет от 0,5 до 1 толщины свариваемого стыка. Электронный пучок с круговой разверткой фокусируют выше поверхности изделия на расстоянии от поверхности свариваемых кромок до точки острой фокусировки луча не менее 2 и не более 3 толщин свариваемого стыка. В результате изобретение позволяет получить плавное формирование обратного валика, исключить попадание продуктов сварки во внутренние полости изделия, а электронного луча - на поверхности деталей за сварным соединением, тем самым повысить качество кольцевого сварного соединения. 2 ил.