Устройство для электронно-лучевой сварки Советский патент 1989 года по МПК B23K15/00 

Изобретение относится к сварке плавлением и может быть использовано при электронно-лучевой сварке (ЭЛС) в машиностроении, приборостроении и других отраслях народного хозяйства.

Цель изобретени я - повышение качества сварки и электронно-оптического изображения свариваемых деталей.

;

а также расширение функциональных возможностей электронных пушек.

На фиг.1 показана блок-схема устройства для электронно-лучевой сварки; на фиг.2 - процесс сварки на экране видеомонитора в режиме сварки и обзора} на фиг.З - временные диаграммы работы устройства.

Устройство расположено в вакуумной камере 1, содержит электронную пушку 2, например, триодного типа с катодом 3, модулятором 4, промежуточ- HbiM анодом 5, фокусным электродом 6, Электромагнитной фокусирующей катушкой 7, отклоняющими катушками 8, конечной диафрагмой 9. На выходе из пушки 2 установлен изолированно от ее корпуса коллектор 10 отраженных и вторичных электронов 11, образующихся во время сканирования электронного луча 12 малой интенсивности при его взаимодействии с поверхностью изделия 13, установленного изолированно от камеры 1. Устройство также содержит блок 14 реио1ма работы модулятора 4, блоки строчной 15 и кадровой 16 развертки, источник 17 напря- жения фокусного электрода 6, изоли- рованного от корпуса пушки 2, источник 18 питания фокусирующей катушки 7, многоканальньй высокочастотньй ;дифференциальный усилитель 19 с пере менными входными сопротивлениями, коммутаторами на входах, управляемы- мн импульсами блока 14 режима, автоматический регулятор усиления (АРУ) 20, дополнительньй широкополосньй видео- усилитель 21, генератор 22 строб-импульсов, представляющий собой одно- вибратор с регулируемой длительность строб-импульсов в широких пределах, синхрогенератор 23 задающий единьй режим работы всего устройства, свод- ньй блок 24 (п1вертор и. преобразователь) , установленньй в тракте видеосигнала сумматор 25, представляющий собой усилитель видеосигнала с дио- дом-комиутатором на входе, управляю- ш -1Йся синхрогенератором 23 с формированием lia выходе полного телевизионного сигнала, создающего изображение .на экрана видеомонитора 26,

Устройство работает.следующим образом

При облучении поверхности металла остросфокусированным лучом 12 удается собрать информацию с топографии . поверхности изделия 13 за счет обработки сигналов вторичных или отраженных электронов 11 о По результатам такой обработки формируется видеосиг нал поступающий на экран монитора 26. Если изделие 13 поставить изолированно от камеры 1, то возникающий при сканировании электронным лучом 12 по изделию 13 ток поглощенных

О Q с

5

0

электронов после его усиления также можно с успехом использовать для получения изображения поверхности изделия 13, даже в тех случаях, когда коллектор 10 находится в невыгодном положении из-за плохой геометрии сбора. Изображение в поглощенных электронах имеет и .другие преимущества перед изображением, формируемым по сигналам в эмиссионном режиме (вторичные или отраженные электроны 11). Так при осмотре неплоских и развитых поверхностей из-за зависимости коэффициента отражения электронов и вторичной эмиссии от угла наклона лучше использовать режим поглощенного тока.

Из-за обращения контраста восприятие топографии кажется противоположным току, к которому привык наблюдатель о Для того, чтобы понять топографию осматриваемой поверхности при работе в режи.ме поглощенного тока часто инвертируют контраст (меняют черное на белое и наоборот) в сводном блоке 24. Такое инвертированное изображение.воспроизводит контраст также, как и в эмиссионном режиме, но отличается отсутствием резких перепадов в контрасте изображения. Вид изображения немного меняется при использований не только различных типов сигналов, но и методов их обработки (обращение контраста, дифференциальное усиление, нелинейное усиление, смещение сигналов-и др.) Применимость различных сигналов и методов их обработки зависит от природы наблюдаемого объекта, чистоты и геометрии его поверхности.

В предлагаемом устройстве чаще используется формирование изображения по данным обработки нескольких типов сигналов, которое получается наиболее эффективным.

Устройство имеет следующие основные режимы работы: режим сварки, режим обзора, режим сварки и обзора.

. В режиме сварки работает блок 14 режима и источник 18 питания фокусирующей катушки 7 в независимом режиме. Блок 14 режима находится в сварочном положении, при котором запирающее напряжение, подаваемое на модулятор 4, регулируется оператором для выставления необходимого для ЭЛС. тока сварки и соответствует паспортным данным на пушку 2. При этом коллектор 10, фокусньй электрод 6 и из-,

делив 13 соединяются блоком 14 режи- |Ма с землей для защиты слаботочной системы информационного канала изображения во время сварки,

Б режиме ,обзора блок 14 режима переключают в положение Обзбр При этом на модулятор 4 подавтёя от блок 14 режима повышенное заййраю1Чее напряжение, что резко снижает Максимально возможный ток луча 12 до 50- 70 мкА и уменьшает диаметр луча 12 до тысячных долей миллиметра, увеличивая разрешающую способность устройства. Одновременно блоки строчной 15 и кадровой 16 развертки подают пилообразное напряжение на отклоняющую систему, которая смещает луч 12 по горизонтали и вертикали, образуя кадр на поверхности изделия 13, имеющий 625 строк.

При формировании кадра используется телевизионньй принцип черезстроч- ной развертки. Частота смены полукадров 50 Гц. Это позволяет синхронизировать работу всех частей устройства с помощью задающего синхрогенера- тора 23. Он, вырабатывая гасящие и синхронизирующие импульсы, управляет работой блоков строчной 15 и кадровой 16 развертки луча 12 синхронно с работой электронно-лучевой трубки видеомонитора 26. Таким образбм, положению луча 12 в какой-либо точке кадра соответствует точно такое же положение электронного луча на экране видеомонитора 26, что обеспечивает однозначность ориентации изображения. Одновременно с формированием кадра на фокусный электрод б подает потенциал от источника 17 напряжения, Тем самым создают между фокусным -электродом 6 и анодом 5 с одной стороны и между фокусным электродом 6 и корпуа . 4881006

получения качественного изображения и сильно развитых поверхностей. Как только включают ток луча 12, на коллекторе 10 появляется сигнал, который поступает в усилитель 19 Появление сигнала связано с тем, что луч 12 при сканировании вызывает эмиссию электронов 11 с облучаемой поверх10 ности изделия 13. Количество их определяется топологией поверхности изделия 13, т.е. величина этого сигнала и каждый момент времени определяется конфигурацией поверхности в

15 месте нахождения луча 12 при сканировании. Вьщеленный и усиленньй сигнал идет по каналу изображения через блок АРУ 20, который обеспечивает на выходе заданный уровень сигнала

20 без искажения его формы, независимо от его величины на входе, поступает на широкополосньм, высокочастотньй, двухкаскадньй видеоусилитель 21. После этого сигнал приходит в свобод-

25 ньй блок 24, где с помощью Д -преобразователя вьдается нелинейное усиление сигнала, т.е. для улучшения зрительного восприятия уменьшают контрастность изображения, если из30 делие 13 создает контраст, занимаю- ш;ий почти весь динамический диапазон, а интересующие нас детали лежат вблизи уровней черного и белого. С помощью инвертора блока 24.можно менять вид изображения из негатива на позитив и обратно.

Далее в блоке 25 сигнал смешивается с Синхронизирующими и гасящими импульсами задающего синхрогенерато40 ра 23, образуя на выходе польй телевизионный сигнал, поступающий на видеомонитор 26, на экране которого оператор наблюдает сформированное по току отраженных,.или вторичных элек35

Изобретение относится к сварке и может быть использовано при электронно-лучевой сварке в машиностроении, приборостроении и других областях народного хозяйства. Цель изобретения - повышение качества сварки и электронно-оптического изображения свариваемых деталей, а также расширение функциональных возможностей электронных пушек. На корпусе электронной пушки после отклоняющих катушек установлена конечная диафрагма, а между анодом и фокусирующей катушкой расположен фокусный электрод, соединенный с источником напряжения, управляемого от блока режима. В устройство введены соединенные последовательно генератор строб-импульсов, задающий синхрогенератор, сумматор, сводный блок и установленный между видеоусилителем и усилителем автоматический регулятор усиления. Усилитель выполнен многоканальным. Задающий синхрогенератор соединен с блоком режима, блоками строчной и кадровой развертки. Сумматор связан с видеомонитором, сводный блок - с видеоусилителем, блок режима соединен с генератором строб-импульсов и блоком кадровой развертки. Устройство работает в режимах сварки, обзора, сварки и обзора. Так как вторично-электронная эмиссия чувствительна к наличию загрязнений на поверхности объекта наблюдения, то сформированное в этом режиме изображение позволяет объективно оценивать качество подготовки поверхности. На качество изображения, формируемого устройством, запыление и нагрев не влияют. Это дает возможность оценить с увеличением в десятки раз процессы течения расплавленного металла при формировании сварного шва. 3 ил.

сом пушки 2 с другой стороны две элек-45 тронов 11 изображение поверхности из- /тростатические иммерсионные линзы, с помощью которых ведут тонкую регулировку фокуса луча 12. Так как при отклонении луча 12 в процессе сканирования расстояние от пушки 2 до по- 50 верхности изделия 13 меняетсй то для компенсации возникающего при этом изменении диаметра луча 12 необходимо автоматически изменять оптическую силу фокусирующей системы. Эту функцию 55 выполняет блок 14фе жима и источник 17 напряжения.

Глубина фокуса, обеспечиваемая

устройством, достаточно большая для

делия 13. В зависимости от реальных условий наблюдения используют также сигнал от тока прошедших электронов, которьй один или совместно с .эмиссионным сигналом поступает на входы дифференциального высокочастотного усилителя 19 в соотношении, определяемом их входными сопротивлениями. Изменение этих сопротивлений позволяет добиться максимального соотношения сигнала к П1уму и четкости изображения. Дальнейшая обработка сигнала аналогична эмиссионному режиму. Для повьшзения уровня сигнала Поглотронов 11 изображение поверхности из-

делия 13. В зависимости от реальных условий наблюдения используют также сигнал от тока прошедших электронов, которьй один или совместно с .эмиссионным сигналом поступает на входы дифференциального высокочастотного усилителя 19 в соотношении, определяемом их входными сопротивлениями. Изменение этих сопротивлений позволяет добиться максимального соотношения сигнала к П1уму и четкости изображения. Дальнейшая обработка сигнала аналогична эмиссионному режиму. Для повьшзения уровня сигнала ПоглощенноГо тока и его чувствительности к эффекту отражения электронов ют блока 14 режима можно подавать на изделие 13 положительное напряжение по4)ядка 40-50 В При таком напряжении вторичные электроны не могут покинуть изделие 13.

В pe)idiMe обзора выставляют ось луча 12 на свариваемый стык с помощью механизмов перемещения изделия 13 или пушки 2 и электронного отметчика на экране монитора 26, Изменение увеличения изображения регулируется обычно изменением величины кадра, т.е., если информация от отрезка длиной 1 в пространстве объекта наблюдения отображается вдоль отрезка длиной L на экране видеомонитора 26, то линейное увеличение ,

После выставления оси луча 12 по стыку изделие 13 отводят в исходное положение и выключают все блоки устройства, кроме блока. 14 режима и источника 18 питания фокусирующей ка- тушки 7, нужных для проведения ЭЛС. При этом блок 14 режима переключают в сварочное положение и он уменьшает величину запирающего напряжения на модуляторе 4 до задаваемой по режи- му ЭЛС величине. Одновременно он коммутирует с землей коллектор 10, фокусный электрод 6 и изделие 13 для защиты слаботочной системы информационного канала изображения на время сварки . После ЭЛС устройство снова пе|зеключают в режим наблюдения и осматривают сварной шов.

В режиме сварки и обзора устроит ство одновременно ведет сварку и фор мирует качественное изображение поверхности изделия 13, используя для обеих операций один и тот же луч 12, который иЬШолняет. часть времени сварку, а другую часть времени его энер- гетическке параметры резко снижаются и он сканирует по верхности. Такой принцип позволяет разделить луч 12 во времени на два луча: обзорньш и сварочный, и дает возможность сов- местить в одном луче 12 различные технологические функции. Соотношение между временем сканирования и сварки выбирается в зависимости от конкретных особенностей сварки данного мате риала. Устройство позволяет менять в широких пределах время сварки, например, за счет времени сканирования обратного хода луча 12 и наоборот.

Таким образом, режим обзора и сварки это совокупность первых двух режимов. Блок 14 режима работает в этом случае в импульсном режиме, обеспечивая сварку и наблюдение практически одновременно. Переход на такой ре жим работы осуществляют подачей сигнала разрешения на работу счетчика генератора 22 строб-импульсов, кото- рьш затем запускается кварцевым син- хрогенератором 23 и начинает работат с второго полукадра. В середине второго полукадра, например с 416 до 526 строки, счетчик генератора 22 вырабатывает импульсы, длительность которых формирует его одновибратор в широких пределах, определяя-размер c j зоны действия -строб-импульсов (фиг.2). Импульсы поступают на блок 14 режима и он на время импульса уменьшает запирающее напряжение модулятора 4 до величины, устанавливаемой оператором. Это позволяет вести сварку в нужном режиме. Одновременно на время строб-импульсов блок 14 режима соединяет с землей коллектор 10, изделие 13, фокусный электрод 6 для защиты сл;аботочной системы информационного канала изображения. На вре мя импульса отклоняющие катушки 8 также заземляются блоком 14 режима.

Размеры аи б , ограничивающие зону действия строб-импульсов, определяющие зону сварки, можно регули-; ровать в щироких пределах (фиг.2)о . Время сварки можно также увеличить за .счет уменьшения размеров кадра ; на поверхности изделия 13. При этом происходит увеличение объекта изоб- ражения. Если луч 12 в первом полукадре сканирует по площади (ai 6), занятой во втором полукадре зоной действия строб-импульсов, то.эта область видна на экране монитора 26 с частотой 25 Гц.

После окончания строб-импульсов блок 14 режима восстанавливает запирающее напряжение на модуляторе 4. Сканирование продолжается. Обработка поступающей с коллектора 10 информации для формирования изображения аналогична режиму наблюдения, ;

На временных диаграммах (фиг.З) в относительных единицах, пропорциональных напряжению синхросигнала, показаны последовательность синхроимпульсов, сформированных каскадом формирователя синхросигнала, входящего в синхрогенератор 23 (а); на- чальный и конечньй импульсы счетчи- ка импульсов, входящего каскадом в блок и обеспечивающего установку сва рочного импульса в заданном наперед программируемом месте, например в центре строки или в центре свариваемого шва (б); работа каскада, входящего в состав блока 14 управления модулятором, осуществляющего подачу постоянной составляющей запирающего напряжения, определяющего ток электронно-лучевой пушки в режиме обзора и подачу двухполярного импульсного сигнала прямого гашения обратного хода луча и обратного уменьшающего напряжения до величины, сдответству- ющей сварочному току (B)J работа каскада управления диодно-транзисторны- ми ключами, входящего в состав блока

14режима, представляющего собой уси литель-разветвитель импульсного сигнала, поступающего из блока, осуществляющий вместе с диодно-транзйстор- ными ключами заземление входной цепи усилителя 19, изделия 13, а также осуществляющий в соответствии с временной диаграммой коммутацию эле-г ментов фокусирующего электрода 6 и отклоняющих катушек 8 через блоки

15и 16 разверток (г)j работа дополнительных диодно-транзисторных ключей, входящих каскадами в блоки 15

и 16, срабатывающих от блока 14, ко- торые коммутируют отклоняю1цие катушки в момент прохождения тока отклоняющей системы через нулевое значение величины в момент подачи импульсного сварочного луча по оптической оси злектронно-лучевой пушки. Кроме того, по вертик альной оси показано временное соответствие срабатывания описанных каскадов, управление которыми осуществляется единым синхроге- нератором 23.

Предлагаемое устройство позволяет значительно уменьшить количество работающего в вакуумной камере оборудования, так как оно обеспечивает не только сварку, но и наблюдение, а при небольших доработках, автоматическое ведение луча по стыку. Разработанное устройство для ЭЛС опробовано на сварочной установке ЭЛУ-15 во всех режимах сварки сталей и алюминиевых сплавов различной толщр ны. Оптимальный угол зрения, не создаю- а5ий дополнительных искажений, и высокое качество изображения позволяют выявлять поверхностные грещины шириной меньше 0,01 мм. Так как вторично-электронная эмиссия чувствительна к наличию загрязнений на поверхности объекта наблюдения, то сформированное в этом режиме изображение позволяет объективно оценить качество подготовки поверхности. На качество изображения, формируемого устройством, запьиение и нагрев не влияют. Это дает возможность посмотреть с увеличением в десятки раз процессы течения расплавленного ме- .талла при формировании сварного шва.

Формула изобретения

Устройство для электронно-лучевой сварки, содержащее электронную пушку с отклоняющими катушками, фокусирующей катушкой, коллектор имитированных электронов, соединенный с усилителем, видеоусилитель, блоки строчной и кадровой развертки, соединецр ные с отклоняющими катушками, блок режима, связанный с модулятором пушки, усилителем, управляемым источником питания фокусирующей катушки и блоком строчной развертки, видеомонитор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности установки пучка на свариваемый стык и расшир)ения функциональных возможнос- ,тей электронных пушек, на корпусе : пушки после отклоняющих катушек ус- тановлена конечная диафрагма, а меж- :ду анодом и фокусирующей катушкой расположен фокусирующий электрод, соединенный с источником напряжения, управляемым от блока режима, при этом в блок-схему устройства также введены соединенные последовательно генератор строб-импульсов, задающий синхрогенератор, сумматор,,сводный блок и установленный между видеоусилителем и усилителем автоматический регулятор усиления, причем усилитель выполнен многоканальным, а задающий синхрогенератор соединен с блоком режима, блоками строчной и кадровой развертки, сумматор связан с видеомонитором, сводный блок - с видеоусилителем, блок режима соединен с генератором строб-импульсов, блоком кадровой развертки, а свариваемая деталь соединена с многоканальным .усилителем и блоком режима.