СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО СОВМЕЩЕНИЯ СВАРОЧНОГО ЛУЧА СО СТЫКОМ ПРИ СВАРКЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Советский патент 1995 года по МПК B23K15/02 

Изобретение относится к области сварки, а именно к управлению параметрами процесса электронно-лучевой сварки.

Целью изобретения является повышение качества формирования сварного шва за счет автоматического совмещения сварочного электронного луча со стыком в ходе сварки в реальном масштабе времени.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства для автоматического совмещения сварочного электронного луча со стыком; на фиг.2 датчик парового потока.

При неизменных электрических и технологических параметрах процесса сварки плотность парового потока в произвольно выбранном конечном объеме вакуумной камеры неизменна по величине. При изменении взаимного положения электронного луча относительно стыка плотность парового потока (т.е. потока пара, выходящего из глубины канала проплавления, а не потока частиц металла с поверхности сварочной ванны, потока ионов и т.д.) изменяется. Величина плотности потока контролируется датчиком, представляющим собой плоский открытый конденсатор, а в качестве диэлектрика между пластинами используется поток пара. Изменение параметров диэлектрика (изменение плотности потока пара) приводит к изменению емкости конденсатора, т.к. датчик имеет конечные размеры, контролируется усредненная по объему плотность потока, а процесс преобразования плотность-частота при этом мало подвержен паразитным пульсациям плотности потока.

Реализация способа заключается в контроле плотности парового потока сварочной ванны 1, с помощью датчика потока 2. Изменение плотности потока преобразуется в изменение емкости датчика, которое электронной схемой преобразуется в напряжение. При изменении взаимного положения электронного луча относительно стыка указанное напряжение изменяется по величине и знаку, что и является признаком рассогласования.

Емкость датчика 2 зависит от величины плотности потока пара между его пластинами. Изменение плотности потока ведет к линейному изменению емкости датчика 2 и изменению частоты перестраиваемого генератора 3, в частотнозадающий контур которого включен датчик. Выходной сигнал генератора 3 не изменен по амплитуде и не подвержен влиянию помех (вида наводок по сигнальному кабелю). Амплитудный ограничитель 4 дополнительно устраняет возможные пульсации амплитуды выходного сигнала генератора 3 из-за пульсаций и наводок по цепям питания. Частотный детектор 5 выделяет величину и знак сигнала рассогласования, т.о. осуществляется преобразование плотности потока в эквивалентное по величине постоянное напряжение, т.е. выделение информационного сигнала. Указанное преобразование отличается простотой и высокой помехозащищенностью. Место установки датчика выбирают исходя из величины отклонения максимума распределения потока пара с учетом глубины проплавления, материала и скорости сварки. Датчик потока установлен сзади сварочной пушки в плоскости стыка на высоте, равной расстоянию от нижнего торцового среза сварочной пушки до свариваемой поверхности, при этом угол между осью сварочной пушки (электронного луча) α=arctg; где S_n диаметр сварочного луча на свариваемой поверхности;
h глубина проплавления.

Сигнал с частотного детектора 5 поступает в схему 6 сравнения, ключ 7, усилитель 8 тока и электромагнитную отклоняющую систему 9. Емкость конденсатора, образованного пластинами датчика 2, определяется как С= 8,85˙ε˙S/d˙10^-12 [Φ] и при фиксированных значениях S и d S площадь каждой пластины, d расстояние между пластинами) определяется только значением диэлектрической проницаемости вещества, заполняющего пространство между пластинами. Величина емкости определяет значение частоты, генерируемой генератором 3; выходной сигнал генератора поступает на вход амплитудного ограничителя 4. Амплитудный ограничитель 4 устраняет влияние амплитудных флуктуаций сигнала датчика 2, вызванных воздействием дестабилизирующих факторов, на точность совмещения. Частотный детектор 5 преобразует выходное напряжение генератора 3 в постоянное, которое поступает на схему 6 сравнения. Ключ 7 определяет режим работы устройства: режим настройки и режим автоматического совмещения. Сигнал управления формируется усилителем 8 тока и поступает на электромагнитную отклоняющую систему 9. В начальный момент сварки, когда рассогласование сварочного луча относительно стыка равно нулю, начальной плотности парового потока между пластинами датчика 2 соответствует значение частоты генератора 3, равное f_o, и соответствующий этому значению выходной сигнал U_o частотного детектора 5. В схеме 6 сравнения значение U_o компенсируется так, что выходной сигнал схемы сравнения равен нулю ΔU 0, при этом используется регулируемый источник 10.

При изменении взаимного положения сварочного луча относительно стыка плотность парового потока в месте установки датчика 2 изменится, что вызывает изменение значений f_o и U_o соответственно и появление на выходе схемы 6 разности сигнала, отличного от нуля Δ U≠0 Это вызывает изменение выходного тока усилителя 8 и тока, протекающего по отклоняющей системе 9, так, чтобы сварочный луч вновь совместился со стыком.

Следует отметить, что датчик парового потока обладает пространственной избирательностью и может быть соориентирован в пространстве на выделение парового потока преимущественно с определенного направления.

Пластины датчика могут быть установлены следующим образом:
а) симметрично относительно сварочного луча по обе стороны сварочной ванны (стыка);
б) несимметрично относительно сварочного луча по обе стороны стыка (сварочной ванны);
в) несимметрично относительно сварочного луча по одну сторону от сварочной ванны.

Лабораторные испытания проводились на образцах из материала АМг-6 и нержавеющей стали на установке ЭЛУ-5 с использованием энергокомплекса ЭЛА 15/30, сварочной пушки КЭП-4 при ускоряющем напряжении U_уск 24-28 кВ и токе сварочного электронного луча (100-300) мА; размер пластин датчика длина D 200 мм, ширина С 60 мм, расстояние между пластинами В 5 мм.

Испытания проводились в следующей последовательности:
первоначальное совмещение электронного луча со стыком и фокусировки;
сварка при отсутствии смещения стыка;
сварка при величине смещения стыка, равной 5 мм на 1 м длины.

Визуальный контроль совмещения сварочного луча со стыком при токе луча 30-40 мА невозможен. В ходе сварки контролировались параметры информационного и управляющего сигналов, и по результатам контроля можно сделать вывод об устойчивом выделении информационного сигнала и возможности совмещения сварочного луча со стыком в реальном масштабе времени.

Изобретение относится к области управления сварочными процессами, а именно к управлению параметрами процесса электронно-лучевой сварки. Информацию о стыке и положении сварочного луча относительно стыка получают при обработке сигнала, который формируется датчиком парового потока. Устройство состоит из датчика 2 парового потока, генератора 3, ограничителя 4, частотного детектора 5, схемы сравнения 6, ключа 7, усилителя 8 тока и отклоняющей системы 9, 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ автоматического совмещения сварочного электронного луча со стыком при сварке, при котором измеряют плотность парового потока из области взаимодействия луча с материалом свариваемых деталей, оценивают степень отклонения луча от стыка и совмещают луч со стыком, отличающийся тем, что, с целью повышения качества формирования сварного шва за счет автоматического совмещения сварочного луча со стыком в ходе сварки в реальном масштабе времени, степень отклонения определяют по изменению плотности парового потока в точке его максимальной интенсивности по одну сторону от сварочной ванны. 2. Устройство автоматического совмещения сварочного электронного луча со стыком при сварке, содержащее электромагнитную отклоняющую систему, связанную с электронно-лучевой пушкой и датчик плотности парового потока, отличающееся тем, что, с целью повышения качества формирования сварного шва за счет автоматического совмещения сварочного луча со стыком в ходе сварки в реальном масштабе времени, оно дополнительно содержит источник опорного напряжения и последовательно соединенные перестраиваемый генератор, амплитудный ограничитель, частотный детектор, схему сравнения, ключ и усилитель, подключенный к электромагнитной отклоняющей системе, датчик плотности парового потока выполнен в виде воздушного конденсатора с возможностью его пространственного ориентирования, причем выход датчика подключен к входу перестраиваемого генератора, а второй вход схемы сравнения подключен к источнику опорного напряжения.