книги / Электронно-лучевая сварка и смежные технологии

Величину (5b/b)max определяли экспериментально при сварке со сквозным проплавлением стальных пластин горизонтальными шва­ ми. Пластины устанавливали наклонно по отношению к направле­ нию перемещения, чтобы обеспечить непрерывное изменение уров­ ня фокусировки электронного пучка в процессе сварки. При такой сварке низколегированной стали толщиной 60 мм установлено, что

±3,65% при ."Ра6 -140% ,

^m in

где 1праб — ток электронного пучка в процессе сварки, Inmjn — ток электронного пучка, соответствующий началу сквозного проплав­ ления.

В указанном диапазоне изменений уровня фокусировки элек­ тронного пучка отсутствуют макродефекгы в сварном шве и имеегмесго его удовлетворительное внешнее формирование. По уравнению (118) затем легко определить параметры 51м/ 1м, 81п/ 1п и 51/уск/ £7уск.

Как видно из табл. 17, столбца 8, требования к нестабильнос­ тям тока фокусирующей линзы, тока электронного пучка и ускоряю­ щего напряжения в случае сквозного проплавления при ап=1 -10-2 рад и Inpa6/Inmin=110% находятся на уровне требований для несквозного проплавления при ап<1 -1(Г* рад. При сквозном проплавлении с запа­ сом мощности электронного пучка в 40% требования к нестабильно­ сти основных параметров источника питания резко снижаются (табл. 17, столбец 9).

Требования к нестабильности скорости сварки в случае сквоз­ ного проплавления также определяли экспериментально. Для этого сварку выполняли горизонтально электронным пучком со ступен­ чатым изменением скорости перемещения образца. Установлено, что при запасе мощности электронного пучка в 40% изменения ско­ рости сварки на ±20% практически не оказывает влияния на каче­ ство сварного шва.

Таким образом, технология электронно-лучевой сварки с гори­ зонтальным сквозным проплавлением позволяет существенно сни­ зить уровень требований к углу сходимости электронного пучка и нестабильностям основных параметров источников питания элек­

тронны х пуш ек и скор о с ти сварки. Это обеспечивает со ­ здание оптимальных конструк­ ций мощных сварочных элек­ тронных пушек, их источников питания и электроприводов манипуляторов.

Наиболее вероятные до­ пустимые нестабильности

[114]. Вероятны й ха р а кте р проявления нестабильностей технологических параметров сварочного оборудования тре­ бует соответствующего подхо­ да к нахождению допустимых отклонений. Такой подход с до­

статочной точностью и наилучшим образом соответствует практике. Наиболее вероятную относительную нестабильность глубины

несквозного проплавления определяет выражение

где h=f(In, (Ууск, Vcb, Ab, rmin); х. — i-й аргумент функции f.

Из выражения (120) следует

5 h /h H ( S lA ) 2+(8UycK/U yc/ +Aj(8VCB/VCB)2+

где A, X, %и £ — весовые коэффициенты.

При сварке со сквозным проплавлением требования к неста­ бильностям параметров источника питания электронной пушки определяют необходимой точностью поддержания уровня фоку-

Таблица 18. Наиболее вероятные допустимые относительные нестабильности параметров мощной электронной пушки, ее ис­

точника питания и скорости сварки, %

кром е искомого (отмеченного звездочкой), задаются. 2. Превышение мощности электронного пучка составляет для столбца 6 — 10%, 7 — 40% .

сировки электронного пучка для получения бездефектного свар­ ного соединения, т. е. только уравнением (122).

Совокупность уравнений (121)—(124) позволяет определить ис­ комые допустимые нестабильности основных технологических па­ раметров электронно-лучевой сварки. Весовые коэффициенты в этих уравнениях рассчитывают или находят экспериментально так­ же, как и в предыдущем подразделе.

Расчет весовых коэффициентов выполнен для электронных пушек с углом сходимости сфокусированного электронного пучкаап=10-2 рад. Результаты расчетов приводят к следующим уравнениям:

8h/h=-\^61,25(8/м/ / м)2+6,03(8/л/ / п)г+17,31 (5£7уск/(7уск)2+

При сварке слабосходящимся электронным пучком с углом сходимости ал<10"^ рад имеем А ^О и А2=0. При сварке с малыми

скоростями (VCB<0,25 см/с) глубина несквозного проплавления сла­ бо зависит от VCB, т. е. А0=0. Тогда

Результаты расчетов по уравнениям (125)—(127) приведены в табл. 18. Видно, что требования к нестабильностям параметров источников питания и скорости сварки наиболее низки при сквоз­ ном проплавлении.

Для дальнейшего снижения требований к нестабильностям ука ­ занных выше параметров необходимо применять специальные технологические приемы сварки или автоматическое регулирова­ ние процесса сварки.

Классификация и характеристики энергоблоков

Энергоблоки для электронно-лучевой сварки состоят из электрон­ ной пушки и источника ее питания. Энергоблоки классифицируют ана­ логично сварочным электронным пушкам (см. табл. 11). Технические характеристики наиболее распространенных энергоблоков производ­ ства ОАО «SELMI» (Сумы, Украина) приведены в табл. 19.

Рассмотрим принципы построения высоковольтного источника питания на примере энергоблока ЭЛА-60/60 [77]. Источник питания состоит (рис. 36) из шкафа пускозащитной аппаратуры, силового ис­ точника питания, блока регулирующей лампы и шкафа управления.

Силовой источник питания содержит высоковольтный трансфор­ матор 29,30, соединенный по схеме «звезда-звезда-треугольник», выпрямитель 4, систему подогрева катода 8 -10 и стабилизатор тока электронного пучка 7, которые расположены в отдельном баке 1, заполненном трансформаторным маслом. Первичная обмотка 30 трансформатора снабжена быстродействующей системой 3 защи­ ты от короткого замыкания.

При работе высоковольтного источника питания с проходной электронной лампой возможна аварийная ситуация в случае раз­ вития вакуумного пробоя в лампе, например, в период ее трени­ ровки после длительного хранения или перерыва в эксплуатации. Для ограничения пробойного тока в этом аварийном режиме в первичной цепи силового трансформатора применена система динамического ограничения токов короткого замыкания, т. е. ис­ пользована параметрическая защита, безынерционно реагирую ­ щая на резкое увеличение проводимости нагрузки. Высоковольт­ ный выпрямитель 4 состоит из двух последовательно соединен­ ных трехфазных мостов, собранных по схеме Ларионова. Для по­ вышения надежности работы в мостах использованы лавинные

Таблица 19. Технические характеристики энергоблоков

для электронно-лучевой сварки

кремниевые диоды. Выпрямитель обеспечивает коэффициент пуль­ саций напряжения 2,5-3% .

Система подогрева катода состоит из понижающего трансфор­ матора tO для нагрева нити подогревателя 15 и источника бом ­ бардировки катода 16 постоянного напряжения до 1500 В.

Для стабилизации режима подогрева катода в первичную цепь обоих источников включен тороидальный магнитный пускатель 12 или тиристорный блок. Такая схема обеспечивает нестабильность установленного режима подогрева не более 5%. Для повышения долговечности работы катода интенсивность его подогрева в на­ строечном режиме работы автоматически снижается.

В отдельном масляном баке 2 8 находится проходная электрон­ ная лампа (пентод) 2 7 со своей системой управления 25. Данная система предназначена для стабилизации ускоряющего напряже­

ния, исключения возникновения дугового разряда в электронной пушке при пробоях, ограничения тока электронной пушки при са­ мопроизвольном ее открывании, защиты источника ускоряющего напряжения при коротком замыкании на выходе. Управление про­ ходной лампой происходит по двум каналам: каналу стабилизации ускоряющего напряжения и каналу защиты источника ускоряющего напряжения и ограничения тока электронного пучка.

Каналом стабилизации ускоряющего напряжения управляет сигнал обратной связи, снимаемый с нижнего плеча высоковольт­ ного делителя 6. Фазы управляющего напряжения выбраны таким образом, чтобы компенсировать изменение ускоряющего напря­ жения при колебаниях нагрузки или питающей сети. Стабилизатор ускоряющего напряжения работает устойчиво при времени не бо­ лее 0,7 мс его выхода на номинальный режим.

Канал защиты обеспечивает подавление аномального нестаци­ онарного процесса в электронной пушке путем полного снятия с нее ускоряющего напряжения на короткое время. Для этого ре­ гулирующая лампа закрывается импульсом, вырабатываемым си­ стемой управления 25. После прохождения импульса проходная лампа начинает открываться, и через 0,7 мс ускоряющее напря­ жение на электронной пушке восстанавливается. Если в электрон­ ной пушке короткое замыкание за время импульса не устрани­ лось, то ускоряющее напряжение не успеет восстановиться за за­ данное время (выбирается интервал времени приблизительно 0,1 мс) до установленного значения. Система управления выраба­ тывает импульс повторного закрытия лампы, и так продолжается все время, пока существует короткое замыкание в электронной пуш­ ке. Такой режим работы источника питания называют режимом авто­ матического повторного включения. Отключение электронного пучка при возникновении пробоя в пушке происходит на короткое время (не более 5 -10 мс), что не вызывает дефектов в сварном шве. Схе­ ма ограничения тока проходной лампы, входящая в канал защиты, представляет собой регулируемый стабилизатор напряжения. Опорным напряжением для схемы ограничения является напря­ жение, поступающее с блока задания тока электронного пучка. Од­ новременно это напряжение поступает в блок стабилизатора тока электронного пучка. При самопроизвольном открывании электрон­ ной пушки, например, из-за выхода из строя стабилизатора тока электронного пучка или закорачивания промежутка катод — уп­ равляющий электрод, формируется сигнал рассогласования, сни­ жающ ий ускоряющее напряжение до значения, гарантирующего

сохранение свариваемого изделия неповрежденным, хотя каче­ ство сварного шва на этом участке не будет соответствовать тре­ буемому и необходима повторная сварка этого участка.

В канале управления током электронного пучка сварочной пуш­ ки используют тетрод, включенный между катодом и управляю ­ щим электродом пушки. Управление током электронного пучка осуществляют путем управления проводимостью тетрода. Блок стабилизации тока электронного пучка находится под высоким по­ тенциалом. Сигнал, задающий ток электронного пучка (опорный сигнал), передается от его задатчика 11 на блок стабилизации 7 через высокочастотный разделительный трансформатор или с по­ мощью оптоэлектронной развязки.

Высоковольтные источники питания инверторного типа имеют существенно лучшие массогабаритные характеристики и более простую конструкцию. Так, источник питания, выполненный по схе­ ме однотактного тиристорного инвертора (частота 2,5 кГц), с м ак­ симальной мощностью 2 кВт и плавно регулируемым ускоряющим напряжением от 30 до 100 кВ состоит из двух блоков: низковольт­ ного с размерами 480x480x200 мм и высоковольтного (маслона­ полненный бак) с размерами 449x400x360 мм [61].

Рассмотрим принцип работы указанного источника питания. Основу схемы (рис. 37) составляет однотактный инвертор с обрат­ ным диодом ДЗ и дополнительной низковольтной обмоткой п3 с диодом Д4. В момент включения тиристора Д 2 предварительно заряженный конденсатор С2 через дроссель L2 разряжается на трансформатор Гр. При этом ток вторичной обмотки через высо­ ковольтный диод Д 5 протекает в конденсатор СЗ и нагрузку Н. Конденсатор СЗ может играть роль как накопителя, так и сглажи­ вающего фильтра. В момент, когда полярность напряжения на кон­ денсаторе С2 изменится на противоположную (указана на рис. 37 в скобках), а напряжение на нем станет равным напряжению на филь­ тровом конденсаторе С1, откроется диод ДЗ, и оставшаяся энергия дросселя L2 частично передается в нагрузку, а частично возвраща­ ется в конденсатор С1. Таким образом, диод ДЗ ограничивает амп­ литуду обратного напряжения на конденсаторе С2 величиной Е. Пос­ ле спада тока в дросселе 12 до нуля начинается заряд конденсатора С2от фильтрового конденсатора С1 через дроссель L 1, диод Д 1, дрос­ сель 12 и первичную обмотку лг+лдтрансформатора Тр. При этом диод Д 5 препятствует протеканию тока в обмотку п2 и ток протекает через обмотку лди диод Д 4 в конденсатор С1. Напряжение на обмот­ ке п3 равно Е, а полярность противоположна полярности рабочего

ДЗ

Р и с . 3 7 . У п р о щ е н н а я с х е м а и н в е р т о р а ( Е - в ы п р я м л е н н о е н а п р я ж е н и е сети)

импульса. Длительность зарядки конденсатора С2 в несколько раз превышает длительность разрядки, и в процессе зарядки индукция в сердечнике трансформатора достигает насыщения, так что оконча­ ние зарядки конденсатора С2 происходит при насыщенном транс­ форматоре. После окончания зарядки схема вновь готова к форми­ рованию следующего рабочего импульса.

Число витков обмотки п3 должно быть в несколько раз больше, чем обмотки п г Это позволяет уменьшить в несколько раз допол­ нительное напряжение, прикладываемое к высоковольтному дио­ ду Д 5 во время перемагничивания трансформатора. Таким обра­ зом, диод Д 5 должен выдерживать обратное напряжение, лишь не­ значительно превышающее максимальное напряжение нагрузки.

Системы управления

Отсутствие реальных возможностей точного и полного контроля процесса электронно-лучевой сварки толстолистовых металлов обуславливает разработку других подходов к обеспечению высо­ кой надежности и воспроизводимости этого сложного технологичес­ кого процесса. Достижение высокой воспроизводимости геометрии и качества сварных швов в серийном производстве при сварке круп­ ногабаритных изделий сложного сечения требует создания различ­ ных устройств контроля, наблюдения и программного управления в каждой функциональной системе сварочной установки.

Установка для электронно-лучевой сварки как объект автома­ тизации представляет собой сложный комплекс. Подготовитель­ ные и вспомогательные операции, включая диагностику состоя­ ния функциональных узлов оборудования, обычно занимают вре­ мя, существенно превышающее время собственно сварки. Высо­

кая скорость сварки (до 30 мм/с) и ограниченные возможности визуального наблюдения создают трудности оператору в управле­ нии процессом. Поэтому стремление к максимальной автомати­ зации электронно-лучевой сварки вполне закономерно.

Системы управления в установках для электронно-лучевой сварки должны решать следующие основные задачи:

■повышение производительности сварочных установок за счет автоматизации подготовительных и вспомогательных опера­ ций;

■повышение качества сварных изделий за счет программного и автоматического управления быстротекущим многопарамет рическим и плохо наблюдаемым процессом сварки, а также реализации новых технологических приемов сварки;

■повышение надежности технологического оборудования за счет введения его диагностики;

■обеспечение возможности ремонта сварного шва и быстрой переналаживаемости сварочной установки при смене изго­ тавливаемых изделий;

■документирование параметров процесса сварки.

Развитие систем управления в последние годы связано с ши­ роким применением микропроцессорной техники: микроЭВМ, пер­ сональных компьютеров, контроллеров и нейросетей. Создают как системы локального управления, так и универсальные системы управления.

Системы локального управления предназначены для комплек­ тации новых или модернизации действующих специализированных сварочных установок. Их выполняют на базе микропроцессорных контроллеров или персональных компьютеров. Универсальные системы управления необходимы для крупногабаритных свароч­ ных установок, предназначенных для неоднотипных и/или слож ­ ных изделий, их выполняют на базе персональных компьютеров в сочетании с контроллерами.

Анализ технологических и технических требований к сварочной аппаратуре, технологических приемов сварки и полных технологи­ ческих циклов сварки показывает, что в общем случае задача уп­ равления установкой для электронно-лучевой сварки является сложной и информационно насыщенной. Исходя из условий про­ мышленной эксплуатации крупногабаритных установок для элект­ ронно-лучевой сварки толстостенных конструкций, универсальную полномасштабную систему управления целесообразно создавать