Вопросы управления формированием сварного шва при электронно-лучевой сварке

4. Саханский, С. П. Основные математические соотношения контактного метода управления выращиванием монокристаллов по способу Чохральского / С. П. Саханский // Вестник Сиб. гос. аэрокосмич. унта им. акад. М. Ф. Решетнева : сб. науч. тр. / под ред. проф. Г. П. Белякова ; Сиб. гос. аэрокосимич. ун-т. Красноярск, 2005. Вып. 7. С. 85-88.

5. Саханский, С. П. Выращивание монокристаллов в закрытой тепловой оснастке по способу Чохральско-

го на основе контактного метода управления диаметром кристалла / С. П. Саханский // Автоматизация и современные технологии. 2007. № 1. С. 38-41.

6. Разработка прецизионного регулирования температуры с использованием светопровода : отчет о НИР // Гиредмет. М., 1962. Тема № СКБРМ-1.

S. P. Sakhanski, V. D. Laptenok

DYNAMIC PROPERTIES OF THE SYSTEM OF AUTOMATIC MONITORING OF GERMANIUM MONOCRYSTALS GROWING BASED ON CONTACT METHOD OF MEASUREMENT

Dynamic properties of the system of automatic monitoring of germanium monocrystals growing have been investigated on the unit based on contact method of diameter measurement. The mathematical model of the monitoring system obtained allows to determine optimal dynamic properties of the monitoring system.

УДК 621.791.72

В. Я. Браверман, В. С. Белозерцев, В. П. Литвинов, О. В. Розанов

ВОПРОСЫ УПРАВЛЕНИЯ ФОРМИРОВАНИЕМ СВАРНОГО ШВА ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ

Обсуждаются возможности обеспечения качества соединений, полученных электронно-лучевой сваркой. Отмечается, что сложность и многофакторность этой технологии оставляют многие задачи получения требуемых свойств соединений для решения непосредственно в процессе сварки. Дается оценка информационности вторичных излучений.

Широкое применение электронно-лучевой сварки (ЭЛС) обусловлено возможностью обеспечения повышенных требований к свойствам и качеству сварных соединений и получения улучшенных весовых и эксплуатационных характеристик отдельных узлов и изделий в целом.

Уникальность многих конструкций, реализуемых с помощью ЭЛС, жесткие требования к функциональной надежности, а также характерные особенности процесса ЭЛС определяют повышенные требования к технологическим параметрам сварки и необходимость их оптимизации на основе расчета и управления в режиме «реального времени».

Целью управления формированием сварного шва при ЭЛС является обеспечение гарантированного качества соединений с воспроизводимостью параметров шва при заданных режимах сварки в условиях быс-тропротекающего и плохо наблюдаемого многопараметрического процесса. Эта цель предполагает высокую степень изученности физической сущности процесса и требует определенного набора технических средств и технологических приемов.

Традиционные подходы определения режимов процесса ЭЛС с помощью многочисленных технологических экспериментов часто оказываются неприемлемыми с экономической стороны (особенно при отработке технологии сварки уникальных дорогостоя-

щих конструкций). В связи с этим оказывается целесообразной замена натурных экспериментов моделированием на ЭВМ.

Работы по созданию компьютерных моделей процессов обработки материалов с помощью высококонцентрированных источников энергии проводятся в настоящее время в США (Ливерморская лаборатория, Центр вооружений ВМС), в Англии (Университет Эссекса), во Франции, в Китае, Германии и ряде других стран. Разработка таких моделей позволяет не только лучше понять процессы обработки концентрированными потоками энергии (КПЭ), но и создать удобный инструмент для разработки технологических процессов, подбора режимов и прогнозирования результатов обработки.

Большинство исследователей подходит к моделированию процесса ЭЛС традиционно, уделяя внимание лишь процессу теплопроводности. Однако такой подход не приводит к успеху, поскольку воздействие электронного луча не сводится исключительно к нагреву изделия, а характеризуется значительным механическим воздействием на расплав, вследствие испарения металла под лучом. Сложность и многофакторность задачи делает традиционные методы моделирования, базирующиеся на конечно-разностных или вариационно-разностных решениях, практически бесполезными.

1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 07-08-00179).

В связи с этим для адекватного описания процессов обработки КПЭ Центром лазерных технологий Санкт-Петербургского политехнического университета предлагается разработка и программное обеспечение математической модели на основе совместного решения связанных задач межфазного тепломассообмена, гидро- и газодинамики и физики транспортировки и поглощения излучения [1]. Структура названных взаимосвязей показана на рис. 1. К успеху в данном случае приводит комбинация численных методов с аналитическими решениями.

Основные функции системы:

- расчет формы и размеров сварных швов, в зависимости от свойств свариваемых материалов и параметров технологических режимов;

- расчет тепловых и термических полей металла шва и околошовной зоны;

- расчет химического состава металла шва с учетом испарения легирующих компонентов;

- расчет параметров эквивалентного теплового источника, обеспечивающего такую же форму проплав-ления, как и истинное лучевое воздействие;

- подбор оптимальных режимов сварки.

В дальнейшем особое внимание планируется уделить разработке динамических моделей, пригодных для управления ЭЛС в режиме «реального времени» и разработке моделей для прогнозирования химического состава зоны сварного соединения.

Наличие адекватных математических моделей процесса ЭЛС имеет большое значение для теории сварочных процессов и практического применения, однако сложность и многофакторность этого вида сварки оставляет многие задачи обеспечения требуе-

мого качества сварного шва для решения непосредственно в процессе сварки с помощью специальных технических средств управления формированием сварного шва. К таким задачам относятся обеспечение точного позиционирования электронного луча по стыку свариваемых деталей, стабилизация глубины про-плавления, управление уровнем фокусировки луча, управление энергетическими параметрами источника питания электронно-лучевой пушки. При этом целесообразно в качестве информационных сигналов использовать явления, сопутствующие процессу сварки.

ЭЛС сопровождается рядом сопутствующих или вторичных излучений, которые в той или иной степени характеризуют процесс сварки и представляют интерес для контроля процесса и автоматического регулирования с обратной связью по качеству и геометрии сварного шва. Это излучения в инфракрасном, световом, радио-, СВЧ, рентгеновском диапазонах, возникновение отраженных, вторичных и тепловых электронов, положительно .заряженных ионов (рис. 2).

Рентгеновское и тепловое излучения несут непосредственную информацию о состоянии поверхности сварочной ванны, а радио- и СВЧ-излучения - об электромагнитных процессах в канале и, следовательно, косвенную, усредненную информацию о поведении сварочной ванны.

Прием радио- и СВЧ-излучения из зоны сварки осуществляется антеннами, защищенными от попадания на них вторичноэмиссионных частиц. Исследования показали [2; 3], что интенсивность этих излучений хорошо коррелируется с уровнем фокусировки электронного луча. Других четких взаимосвязей с процессом сварки не обнаружено.

Излучения и параметры режима сварки

Материал

ы.

Транспортировка энергии

Материал

Взаимодействие излучения с паро-плазменной фазой

Материал

Теплоперенос

Испарение и конденсация

Гидродинамика

Связь через граничные условия

<----

Газодинамика

—7\—

---->

Связь через коэффициенты в уравнениях

Материал, скорость сварки

Материал

Рис. 1. Структура задачи о лучевой сварке металлов

Все излучения, кроме рентгеновского, имеют узкую диаграмму направленности, обусловленную формой канала. При регистрации таких излучений практически невозможно выделить сигнал от определенной точки поверхности канала. Суперпозиция в момент приема датчиками излучений от разных точек ванны и происшедших в разное время приводит к неопределенности регистрируемого сигнала, т. е. к его усреднению по поверхности расплава и объему канала.

Электронный @

т. Пар

I епловое, оптическое. г

радио, СВЧ, рентгеновское и

Ионы

Отраженные электроны

Вторич-ые электроны

-Шов

Тепловые

Канал

Рис. 2. Вторичные излучения из зоны сварки при ЭЛС

На практике реализован метод спектрографического контроля глубины несквозного проплавления по ионизационному свечению паров [4]. Способ осуществляется за счет введения в зону будущего шва двух маркирующих веществ на двух различных уровнях, между которыми должен находиться корень шва. Система автоматического управления процессом сварки построена так, чтобы обеспечить наличие в парах над сварочной ванной маркирующего вещества из первого уровня, а появление вещества со второго уровня допускается только кратковременно.

Так как формирование сварочной ванны определяется в основном механическим воздействием на поверхность расплава испаряющихся атомов материала, то динамические, статические и усредненные параметры парового потока наиболее полно характеризуют процесс развития и существования сварочной ванны. Поскольку оперативная регистрация указанных параметров пара практически невозможна, то обычно измеряются характеристики потока вторичноэмисси-онных заряженных частиц - электронов и ионов, возникающих при ионизации пара электронным пучком и сохраняющих определенную информацию о состоянии поверхности канала в сварочной ванне. Для приема вторичноэмиссионных заряженных частиц применяют кольцевые металлические пластины (коллекторы), устанавливаемые соосно с электронным пучком над сварочной ванной. Разделение вторичных электронов и ионов осуществляется подачей на коллектор соответственно положительного или отрицательного смещения - напряжения, равного 80...200 В. При анализе сигналов коллекторов вторичной эмиссии выде-

ляют амплитуды постоянной и переменной составляющих.

Исследования эмиссионных сигналов показали, что четкая взаимосвязь этих сигналов с качеством сварного шва отсутствует [5]. Лишь в ряде случаев при сварке сталей отмечается соответствие аномальных всплесков амплитуды колебания ионного тока и образование полостей в объеме шва [6]. Однако широкого практического применения для контроля и управления процессом сварки этот факт не получил.

Наиболее практически значимым результатом этих исследований является установление зависимости от уровня фокусировки электронного луча мощностью до 5 кВт частоты перехода через нуль амплитуды переменной составляющей как ионного, так и электронного токов вторичной эмиссии [7].

Частотный анализ пульсаций ионного тока показывает, что при сравнительно малых мощностях электронного луча имеют место почти гармонические колебания. При увеличении мощности частотный спектр расширяется, появляются другие гармоники, а при глубине проплавления свыше 30 мм частотный спектр становится шумовым.

Исследование частотных характеристик вторичных эмиссионных токов при ЭЛС указывает на возможность использования этих характеристик для контроля процесса сварки. Так, частота пульсаций парового потока, истекающего из канала проплавления, или частота пульсаций ионного или вторичноэмиссионно-го токов коррелируют с глубиной проплавления и со степенью фокусировки [8].

Первостепенное значение во время сварки имеют вопросы совмещения луча со свариваемым стыком. Наибольшее распространение в практике ЭЛС получили вторичноэмиссионные системы слежения за стыком. Датчик стыка - коллектор вторичных электронов - отличается простотой конструкции, нечувствительностью к запылению парами металлов, практически неограниченным сроком службы, малыми габаритами и универсальностью по отношению к материалу свариваемых деталей и характеру стыков.

В современных вторичноэмиссионных системах информационный сигнал получают в процессе развертывающих преобразований различных модификаций [9].

С помощью вторично-электронного сигнала невозможно получать информацию тогда, когда луч находится в канале проплавления. Поэтому для измерительных операций осуществляют выброс луча на короткое время из сварочной ванны. Однако интенсивное парообразование приводит к тому, что форма импульса вторичноэмиссионного тока отличается от расчетной, и возможны ложные срабатывания, приводящие к ошибке определения положения луча относительно стыка. В работе [10] показано, что из-за испарения металла с поверхности сварочной ванны спад сигнала датчика до уровня, соответствующего эмиссии электронов с нерасплавленной поверхности задержан относительно начала сканирования на время, определяемое скоростью разлета атомов пара (0,8...1,6)-103 м/с и расстоянием датчика от сварочной ванны.

Таким образом, совмещение в одном сварочном луче поисковых и рабочих функций требует аппаратных решений, обеспечивающих высокую скорость сканирования стыка лучом, необходимую задержку начала сканирования относительно начала измерения вторичноэмиссионного сигнала, а также введение следящего ограничителя, срабатывание которого связано с уровнем фона.

Принцип действия систем управления с рентгеновскими датчиками заключается в возможности регистрации изменения рентгеновского излучения при изменении соответствующего технологического параметра (глубины проплавления, положения луча относительно стыка и т. д.) [11; 12]. С помощью узконаправленных датчиков рентгеновского излучения (РИ) можно выделить сигнал от определенной области поверхности канала сварочной ванны. В качестве датчиков РИ используются сцинтилляционные кристаллы совместно с фотоэлектронными умножителями, фотодиодные матрицы.

Наблюдение за формированием сварного шва в собственных рентгеновских лучах позволяет существенно расширить представления о физических процессах, сопутствующих образованию канала в сварочной ванне. Однако возможность использования этой методики для автоматического регулирования глубины несквозного проплавления ограничивается лишь крайне редкими случаями высокой энергии сварочного пучка (ускоряющее напряжение иуск > 100 кВ) при одновременно малом ослаблении сигнала материалом изделия.

На характеристики рентгеновского излучения не оказывают влияние колебания сварочной ванны, экранировка парами металла. Высокая помехозащищенность рентгеновских датчиков свидетельствует о перспективности их применения в системах управления технологическим процессом ЭЛС. Внедрение систем сдерживается недостаточностью данных о физико-технологических характеристиках рентгеновского излучения при ЭЛС (диапазон изменения, чувствительность, оптимальное расположение датчика и т. д.) что, в свою очередь, затрудняет определение принципов построения таких устройств.

В заключение можно сделать следующие выводы:

1. Анализ существующих методов и средств управления формированием сварного шва при ЭЛС свидетельствует о том, что несмотря на большое разнообразие имеющихся разработок, пока нет средств, удовлетворяющих требованиям точности и надежности в эксплуатации при ЭЛС современных изделий. Подтверждением этого является отсутствие широкого внедрения указанных разработок при очевидной их потребности в производстве.

2. Большое значение для практического применения имеет наличие адекватных математических моделей процесса формирования сварного шва при ЭЛС, однако сложность и многофакторность технологии оставляет многие задачи обеспечения требуемого качества для решения непосредственно при сварке по сопутствующим информационным сигналам.

3. В качестве информации для контроля ЭЛС можно использовать все сопутствующие процессу явления, однако рентгеновское излучение и зоны сварки, обладающие очевидной информационной насыщенностью при абсолютной, практически, помехозащищенности оказывается мало изученным с точки зрения использования его для управления формированием сварного шва. Это свидетельствует о целесообразно -сти проведения исследований с целью разработки рентгеновских систем управления ЭЛС.

Библиографический список

1. Dilthey, U. Tool For Electron Beam Welding / U. Dilthey, A. Simulation, S. Boehm, T. Welters, S. Illin, G. Turichin // 6th International Conference on Welding and Melting by Electron and Laser Beams / France, Tulon, 1998. P. 39-45.

2. Башенко, В. В. О радиоизлучении плазмы, возникающей в камере при электронно-лучевой сварке /

B. В. Башенко // Сварочное производство. 1978. № 7.

C. 12-115.

3. Бурыкин, Ю. И. Экспериментальное исследование высокочастотных колебаний, возникающих при электронно-лучевой сварке / Ю. И. Бурыкин, С. М. Ле-витский, О. К. Назаренко // Физика и химия обработки материалов. 1980. № 2. C. 142-146.

4. Muller, M. Electron beam welding - a fully automatic welding process / M. Muller // Dev. Innov. Improved weld. / Prod. - I-st. int. conf. Birmingham, 13-15 sept. 1983. Adington, 1984. P. 32/1-32/8.

5. Ланкин, Ю. Н. Экспериментальное исследование эмиссии заряженных частиц и теплового излучения как параметров автоматического регулирования процесса электронно-лучевой сварки / Ю. Н. Ланкин. Киев : Наукова думка, 1982. 32 с.

6. Нестеренков, В. М. Влияние геометрии шва на параметры ионного тока при электронно-лучевой сварке / В. М. Нестеренков // Автомат. сварка. 1982. № 3. С. 34-36.

7. Акопьянц, К. С. Влияние ускоряющего напряжения на параметры проплавления при электроннолучевой сварке / К. С. Акопьянц, Ю. В. Зубченко,

B. Е. Локшин, О. К. Назаренко // Автомат. сварка. 1972. № 11. С. 11-15.

8. Акопьянц, К. С. Контроль глубины проплавле-ния и фокусировки электронного луча по частоте пульсаций ионного тока при сварке / К. С. Акопьянц, А. В. Емченко-Рыбко // Автомат. сварка. 1981. № 9.

C. 28-32.

9. Спыну, Г. А. Современные вторично-эмиссионные системы автоматического направления пучка электронов по стыку при сварке / Г. А. Спыну, Ю. И. Пастушенко, В. Е. Локшин // Автомат. сварка. 1978. № 10. С. 18-28.

10. Кривенков, В. А. Помехи в выходном сигнале датчика сканирующих вторично-электронных измерителей отклонения луча от стыка / В. А. Кривенков, А. Г. Кроз, Ф. Н. Рыжков // Сварка электронным лучом : материалы конф. М. : Знание, 1974. С. 92-98.

11. Braverman, V. Mechanism of melting stabilization in electron beam welding process at natural X-ray / V. Braverman, S. Bayakin, V. Shabanov, V. Bashenko // 6th International Conference on welding and melting by electron and laser beams. France, Tulon, 1998. Р. 31-39.

12. Braverman, V. Control over Electron Beam Welding Process by X-ray Radiation from the Zone of Welding / V. Braverman, V. Shabanov, S. Bayakin, V. Bashenko // 6th International Conference «Beam Technology», 26-28 April, 2004. Halle (Saale). Р. 68-74.

V. Y. Braverman, V. S. Belozertsev, V. P. Litvinov, O. V. Rozanov

ISSUES RELATING TO CONTROLLING SEAM FORMATION PROCESS IN ELECTRON BEAM WELDING

It is discussed ways to ensure quality of welding seams produced with electron beam welding. The complexity and multi-factor nature of this technology leave many decisions to be made during the welding process itself to ensure the desired quality of the welding seam. It is also evaluated informational quality of secondary radiations.

УДК 629.7

В. В. Краев

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ПРИПУСКОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СЛОЖНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Рассмотрены расчетно-аналитический метод определения припусков и основные особенности расчета припусков механической обработки сложных деталей. Приведен пример расчета припусков по предлагаемому методу.

В производственной практике припуски на обработку металлодеталей резанием назначаются либо по справочникам, либо основываясь на опыте данного предприятия.

Расчет припусков на механическую обработку является одним из первых шагов для множества дальнейших технологических расчетов, таких как расчет норм времени, себестоимость, расход материалов и т. д.

В справочнике [1] изложен расчетно-аналитический метод определения припусков, который позволяет теоретически рассчитать оптимальные припуски на каждый отдельный переход механической обработки, что в конечном счете приводит к экономии материала, сокращению длительности механической обработки, экономии режущего инструмента и продления срока эксплуатации станочного оборудования.

Метод основан на анализе текущего и предыдущего переходов, а также технологических параметров заготовки [2]. В связи с этим возникает необходимость в обработке достаточно большого объема исходных данных, таких как материал, параметры и способы обработки заготовки. Также следует учесть, что требуемые параметры и качество обработанной поверхности детали можно обеспечить различными методами, для каждого из которых следует проводить отдельный расчет.

Современные расчетные модели позволяют унифицировать такую работу. При этом, разработав алгоритм для ЭВМ для расчета припусков на деталь какого-либо класса, можно получить программу, позволяющую рассчитывать оптимальные припуски для всех деталей этого класса. Математическая модель в таком случае базируется на итерационном подходе. Наиболее удобным для расчетов такого рода является среда Delphi, основанная на языке Object Pascal [3],

поскольку Delphi разрабатывалась специально для научных расчетов.

При обработке деталей резанием следует выделить такие параметры, как выбор режимов обработки заготовки, формирование операций из переходов и точность обработки.

На выбор режима резания влияют требования к качеству поверхности детали, свойства материала заготовки, свойства материала и геометрия режущей части инструмента, вид сплава (сталь, чугун, цветные металлы), возможности выбранного оборудования.

Режим обработки поверхности заготовки характеризуется глубиной резания и подачей.

Глубина резания определяется, главным образом, величиной припуска. При этом необходимо стремиться каждый переход выполнять за один проход. Обработку за несколько проходов применяют чаще всего на черновых переходах, при больших припусках и напусках, а также при недостаточной жесткости и прочности технологической системы, недостаточной мощности станка.

Факторы, влияющие на формирование операции, разделим на три группы. К первой группе относятся факторы, от которых зависит обеспечение качества детали (деление технологического процесса на предварительную и окончательную обработку, смену технологических баз, выполнение обработки нескольких поверхностей с одной установки заготовки, выделение в самостоятельную операцию переходов, связанных с достижением особо высокой точности и т. п.). Вторую группу составляют факторы, определяющие физическую возможность объединения переходов в операцию (невозможность объединения в операцию процессов обработки, отличающихся своей физической сущностью, отсутствие свободного доступа к различным