Повышение точности контроля проплавления при электронно-лучевой сварке

В магниевых сплавах низкие скорости диффузионных процессов приводят в условиях неравновесной кристаллизации к сильному развитию дендритной ликвации (даже при малых скоростях охлаждения при затвердевании).

Дендритная ликвация способствует снижению механических свойств и технологической пластичности слитков. Поэтому перед деформацией слитки необходимо подвергать гомогенизирующему отжигу [2], после которого все еще видны дендриты (рис. 7).

Таким образом, проведенное опытно-промышленное изготовление штамповок из сплава 2К60Л с применением редуцирования показало невозможность получения стабильных качественных штамповок из-за сложности оптимизации технологии гомогенизации исходного металла.

Анализируя приведенные результаты, можно сделать вывод о возможности использования сплава 2К60Л для изготавления крупногабаритных штамповок вместо МА14, так как галеты из сплава 2К60Л имеют более высокие значения прочностных свойств,

и целесообразности исключения операции редуцирования.

Библиографические ссылки

1. Оптимизация литой структуры сплава системы Mg-Zn-Zr перед горячей деформацией / Т. А. Богданова, Г. А. Меркулова, А. А. Перебоева и др. // Вестник СибГАУ. 2011. Вып. 2 (35). С. 148-153.

2. Doan J. P., Ansel G. Metals Technology. 1946. Vol. 13. Dec.

3. Bhan S., Lal A. The Mg-Zn-Zr System // Journal of Phase Equilibria. 1993. Vol. 14. № 5. P. 634.

4. Морозова Г. И., Мухина И. Ю. Наноструктурное упрочнение литейных магниевых сплавов системы Mg-Zn-Zr // Металловедение и термическая обработка металлов. 2011. № 1. С. 3-7.

5. Волкова Е. Ф., Исходжанова И. В., Тарасенко Л. В. Структурные изменения в магниевом сплаве МА14 под воздействием технологических факторов // Металловедение и термическая обработка металлов. 2010. № 12. С. 19-23.

T. A. Bogdanova, G. A. Merkulova, Yu. V. Gorokhov, N. Yu. Skorokhodova, S. V. Chernov

SELECTING AN ALLOY OF SYSTEM MG-ZN-ZR AND OPTIMIZING BLANK FABRICATION FOR FORGING

The structure and mechanical properties of alloys ZK60A and MA14 of the system Mg-Zn-Zr after casting, homogenization and deformation were studied. It was suggested to change alloy MA14 to ZK60A for large-sized stampings. The possibility to exclude the operation of reduction was shown.

Keywords: magnesium alloy, structure, mechanical properties, casting, homogenizing annealing, deformation.

© Богданова Т. А., Меркулова Г. А., Горохов Ю. В., Скороходова Н. Ю., Чернов С. В., 2012

УДК 621.791.72

В. Я. Браверман, В. С. Белозерцев, Т. Г. Вейсвер

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ КОНТРОЛЯ ПРОПЛАВЛЕНИЯ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ*

Рассмотрена возможность повышения точности контроля проплавления путем выбора оптимальной амплитуды поискового сигнала при электронно-лучевой сварке.

Ключевые слова: электронно-лучевая сварка, рентгеновское излучение, глубина проплавления, спектр излучения.

В настоящее время вопросы стабилизации заданной глубины проплавления при электронно-лучевой сварке (ЭЛС) остаются актуальными, особенно на заключительных этапах сборки ответственных узлов. Мы уже рассматривали способ контроля и стабилизации глубины проплавления по рентгеновскому излучению, регистрируемому со стороны ввода электронного луча [1]. Способ основан на определении положения максимума интенсивности рентгеновского излучения, соответствующего текущей глубине проплавления при заданных режимах ЭЛС (рис. 1). Определение максимума интенсивности осуществляется коллимированным рентгеновским датчиком на основе кристалла Ма1(Т1).

На датчик попадает часть рентгеновского излучения Jд(z) в пределах, ограниченных шириной коллиматора Д, величина которой по оси г составляет ДМпф и определяется выражением

А

2э1пф 2

[ е~М(^) dz ,

А

2sin9

-0,4(z-е z

где е ’ ' - плотность распределения рентгенов-

ского излучения по оси г; ег - смещение пятна нагрева относительно заданной глубины проплавления.

Работа выполнена при финансовой поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (код проекта 2.1.2/9274).

Рис. 1. Распределение интенсивности рентгеновского излучения по глубине канала проплавления

Представим в виде

= его + бг^па,

где ег0 - постоянная составляющая смещения пятна нагрева относительно заданной глубины проплавления; егт - амплитуда переменной составляющей смещения пятна нагрева относительно заданной глубины проплавления; а = ю?; ю = частота переменной составляющей; ? - время.

Представление (2) отражает тот факт, что в положение пятна нагрева введено поисковое движение с частотой ю и амплитудой егт. Это может быть реализовано, например, введением переменной составляющей в ток электронного сварочного луча или колебаниями коллиматора относительно проекции пятна нагрева.

При подстановке выражения (2) в (1) последнее может быть представлено рядом Фурье в тригонометрической форме:

а ”

Jд(ег0) = "2 + Х(ак 005а + Ьк ^па) ,

2 к=1

где ак, Ьк - коэффициенты ряда:

1 л

=- ( 2л 1

А

2зшф

,-0,4—-г0 --гт ^ а)

dz

25Шф

А

25Ц1 ф

I ‘

А

25Ц1 ф

,-0,4

dz

еоэ kаd а;

э1п каdа .

Анализ приведенных соотношений свидетельствует о том, что при наличии в положении пятна нагрева поискового движения по глубине канала проплавления спектральный состав ренгеновского излучения (РИ) дополняется составляющими с частотами, кратными частоте поискового движения и амплитудами, находящимися в определенной зависимости от положения пятна нагрева относительно заданной глубины проплавления.

Так амплитуды синусоидальных составляющих Ьк с частотами (2п + 1)ю, где п = 0, 1, ..., пропорциональны в некоторых пределах смещению пятна нагрева относительно заданной глубины проплавления (положения коллиматора). Они равны нулю при отсутст-

вии смещения и меняют знак при изменении направления смещения пятна нагрева относительно заданного положения (рис. 2). Изменение знака свидетельствует об изменении фазы колебаний данной составляющей на 180о.

Характер зависимостей этих составляющих предполагает очевидный простой способ получения информации о глубине проплавления, заключающийся, например, в синхронном детектировании сигнала датчика рентгеновского излучения, т. е. выделении составляющей с частотой ю и использовании ее для управления параметрами ЭЛС (током луча или током фокусирующей системы), от которых зависит глубина проплавления.

Если положение пятна нагрева совпадает с осью рентгеновского датчика, то амплитуды косинусоидальных составляющих а2, а4, ... (четные гармоники) максимальны (рис. 3).

Составляющая с двойной частотой поискового движения а2 может использоваться, например, для определения амплитуды поискового движения, при которой обеспечивается наибольшая чувствительность способа. Так, из формулы (3) можно определить зависимость а2 от егт при ег0 = 0:

1 л

:(-гт )= 2л ^

0,3

25Шф

2зшф

-0,4—--

dz

cos2adа.

График зависимости (5) показывает, что максимальная чувствительность может быть достигнута при амплитуде поискового движения, составляющей 2-3 % от глубины проплавления (рис. 4).

Влияние амплитуды поискового движения на зависимость амплитуды Ь1 от положения е20 пятна нагрева относительно заданной глубины проплавления представлено на рис. 5. Зависимости рассчитаны в соответствии с выражением:

1 л

Ь>(-г0 )=

0,3

25Шф

0,3

25Шф

з-0,4

5т а d а

ЪМт

0,04

о

-0,04

-0,08

Ъъ

^Ьх ^ Ъъ

>

К х

\

\

V

N /

8,0, %

-6 -4 -2 0 2 4 6

Рис. 2. Зависимости амплитуд синусоидальных составляющих от смещения пятна нагрева относительно заданной глубины проплавления: А = 0,1 мм; ф = 450

акит 0,2 * т

0,15

0,1

0,05

0

/ N а2

а4

ЕгО, %

-6 -4 -2

Рис. 3. Зависимости амплитуд косинусоидальных составляющих ак от смещения пятна нагрева относительно заданной глубины проплавления: А = 0,1 мм; ф = 450

0 1 2 3 4 5

Рис. 4. Зависимость амплитуды а2 от амплитуды поискового движения е2т.

ъЛит

0,0

0,04

0

-0,04

-0,08

ч

^ \ /' А 1 2 3 4

/ \ \ \ \

/ / Л \ \

^ ^4 \ \ \ N \

\ч_> к/ \ .

\> \/

./ х /

\ /

ЕгО, %

-6 -4 -2 0 2 4 6

Рис. 5. Зависимости амплитуды Ъ1 от смещения пятна нагрева относительно заданной глубины проплавления (30 мм) при различной амплитуде &2т (в процентах от глубины проплавления):

1 — £ят — 0,5; 2 — £ят — 1; 3 — £ят = 2; 4 — £ят — 5

Из графиков видно, что с увеличением амплитуды поискового движения до определенного значения (єгт = 2) увеличивается коэффициент преобразования и область линейности характеристики (кривые 1-3). Дальнейшее увеличение амплитуды ведет к уменьшению коэффициента преобразования Ь1/єг0 (кривая 4), что подтверждается экстремальной зависимостью амплитуды а2 от амплитуды єгт поискового движения (рис. 4).

Представляет интерес зависимость рассмотренных характеристик от ширины коллиматора. На рис. 6 представлено семейство характеристик Ь1(єг0) при различных Д и єгт, рассчитанных по формуле:

-} 2п ^

А

2$іпф

I

А

2БІПф

-0,4

ёг

8Іп аё а.

В широком диапазоне амплитуд поискового движения (0,1-3 % от глубины проплавления) коэффициент преобразования максимален при ширине коллиматора, составляющей 2-3,5 % от глубины проплавления (рис. 6, кривые 4, 5). Так, при глубине проплавления 30 мм приведенные проценты соответствуют амплитуде поискового движения - 0,03-0,9 мм и ширине коллиматора - 0,6-1 мм.

Это подтверждается и характеристиками, полученными решением (6) при подстановке Єг0 = 0,5 (введено постоянное смещение пятна нагрева от заданной глубины проплавления) и варьировании амплитудой поискового движения Єгт, и шириной коллиматора Д (рис. 7). Максимальное значение составляющей рентгеновского излучения Ь1 при смещении пятна нагрева на 0,5 % от глубины проплавления достигается в одном случае при єгт ~ 2,5 % и Д ~ 3 % от глубины проплавления (рис. 7, а, кривая 6), в другом - при Єгт ~ 2 % и Д ~ 3 %.

'^тах 8 5 — 4

! 6

7

' >

\>

1

-6

-4

-2

0

б

Рис. 6. Графики зависимости амплитуды Ъ1 от смещения пятна нагрева относительно заданной глубины проплавления при различных амплитудах поискового движения и различной ширине Д коллиматора рентгеновского датчика: а - е2„ = 2; б - е2„= 1; в - е2„ = 0,5; г - е2„ = 0,1; 1 - Д = 0,3; 2 - Д = 0,6; 3 - Д = 1; 4 - Д = 2; 5 - Д = 3; 6 - Д = 4;

7 - Д = 6; 8 - Д = 8

а

в

г

б

Рис. 7. Зависимость Ъ1(0,5) от амплитуды поискового движения при различной ширине коллиматора Д (а) и от ширины коллиматора Д при различной амплитуде е2т поискового движения (б):

1 - Д = е2т = 0,3; 2 - Д= егт = 0,6; 3 - Д= егт = 1; 4 - Д = еЪт = 2; 5 - Д = е2ш = 3; 6 - Д= егт = 4; 7 - Д= егт = 6; 8 - Д= егт = 8

а

Результаты аналитических исследований использованы при технической реализации устройств стабилизации глубины проплавления, внедряемых в технологические комплексы ЭЛС ряда предприятий, что подтверждает возможность практического применения математической модели рентгеновского датчика глубины проплавления.

Таким образом, введение поискового движения приводит к появлению в спектре рентгеновского излучения гармонических составляющих, несущих информацию о глубине проплавления; составляющая с двойной частотой может использоваться для определения амплитуды поискового движения при которой

обеспечивается наибольшая чувствительность способа; полученные соотношения позволяют производить анализ информационных сигналов для определения условий получения наибольшей чувствительности датчика при оптимальной ширине коллиматора.

Библиографические ссылки

1. Браверман В. Я., Белозерцев В. С., Вейсвер Т. Г. Контроль глубины проплавления по интенсивности рентгеновского излучения при электронно-лучевой сварке // Вестник СибГАУ. 2010. Вып. 6(32).

С.116-119.

V. Ya. Braverman, V. S. Belozertcev, T. G. Veysver

ACCURACY IMPROVEMENT OF MELTING CONTROL AT THE ELECTRON BEAM WELDING PROCESS

The authors consider the capability of accuracy improvement of melting control at the electron beam welding process, due to optimal choice of scanning signal magnitude.

Keywords: electron beam welding, x-ray radiation, weld penetration, radiation spectrum.

© Браверман В. Я., Белозерцев В. С., Вейсвер Т. Г., 2012