книги / Электронно-лучевая сварка и смежные технологии
..pdf(8b/b)max=6(SIju/ I> 1 ,5 (S In/ l„ ) +3,25(8t//CK/ UyJ . |
(118) |
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
± 1 , 7 2 % п р и Ь щ а б _ = 1 1 0 % , |
|
^m in |
|
г |
(119) |
±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
для электронно-лучевой сварки |
81 |
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+
+VAj(8b/b)2+(8a|/ a n)2+A^(6rmln/rrn|„)2, |
|
(121) |
8b/b=^/xf(б1м/1м)2+Х|{51,/1п)г+Х|(5 L^CK' Uy0K)2, |
(122) |
|
S ayan^ x f ( S l J l f +x t ( S lJ lf+ 4 ( S u, J U |
ycf , |
(123) |
2< i ( W < ( M yj u |
ycf , |
(124) |
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-
82 |
Оборудование |
Таблица 18. Наиболее вероятные допустимые относительные нестабильности параметров мощной электронной пушки, ее ис
точника питания и скорости сварки, %
П а р а |
Н ескв озное проплавление |
Сквозное |
||||
м етр |
|
|
|
|
проплавление, |
|
|
|
|
а ^ М О - 4 рад |
a = 1 -1 0 ^ |
рад |
|
|
а п“ 1 Ю ~ г Рад |
|
|
|||
|
V CB< 0 ,2 5 см /с |
|
|
|||
|
|
|
|
|
||
5h/h |
± 2,5 % |
± 5% |
± 2,5% |
±5% |
- |
- |
5b/b |
± 1,5 2 % * |
± 2,8 3 % * |
- |
- |
± 1,72% |
± 3,65% |
5'Л |
± 0,0 5 % |
± 0,05% |
± 0,05% |
± 0,05% |
± 0,05% |
± 0,05% |
5|л |
± 0,8 9 % |
± 0,93% |
± 0,74% * |
± 1,6% |
± 1,04% * |
±1% |
|
|
|
|
|
|
|
бЧсУЧск |
± 0,2 % |
± 0,7 5 % |
± 0,75% |
± 1,43% * |
± 0,2% |
± 1,02% * |
5V CB/V CB |
± 1% |
± 2,5% |
±20% |
± 20% |
±20% |
±20% |
8 Т Д , |
± 2% |
± 5% |
±2% |
± 5% |
- |
- |
П р и м е ч а н и е . |
1. Приведенные в столбцах 2 -7 |
значения параметров из столбца 1, |
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+
+ll svce/v c/ + 0 .14<5W |
. |
(125) |
8b/b=V 36(8/u //,/+ 2 ,2 5 (5 /, / / / + 1 0,56(SUycK/Uyc/ . |
(126) |
При сварке слабосходящимся электронным пучком с углом сходимости ал<10"^ рад имеем А ^О и А2=0. При сварке с малыми
для электронно-лучевой сварки |
83 |
скоростями (VCB<0,25 см/с) глубина несквозного проплавления сла бо зависит от VCB, т. е. А0=0. Тогда
8IVh=V24,01(5IM/ lM)2+3,78(SIn/ In)2+6,29(8Uyo(/t/ycl<)2. |
(127) |
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
84 |
Оборудование |
Таблица 19. Технические характеристики энергоблоков
для электронно-лучевой сварки
Характеристика У-250А |
ЭЛ А -15 |
ЭЛ А -30 |
Э Л А -60/60 |
Э Л А -60Б |
Э Л А -1 2 0 |
|
Максимальная |
13,5 |
15 |
30 |
60 |
60 |
120 |
мощность |
|
|
|
|
|
|
электронного |
|
|
|
|
|
|
пучка, кВт |
|
|
|
|
|
|
Ускоряющее |
30 |
60 |
60 |
60 |
60 |
120 |
напряжение, кВ |
|
|
|
|
|
|
Нестабильность |
± 2 |
± 0 ,5 |
± 0 ,5 |
± 1 |
± 0 ,5 |
± 1 |
ускоряющего |
|
|
|
|
|
|
напряжения, % |
|
|
|
+ |
|
|
Наличие |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
|
системы |
|
|
|
|
|
|
защиты от |
|
|
|
|
|
|
пробоев |
|
|
|
|
|
|
Нестабильность |
±0,1 |
± 0,05 |
± 0,05 |
± 0,05 |
± 0 ,0 5 |
± 0 ,0 5 |
тока |
|
|
|
|
|
|
фокусировки, % |
|
|
|
|
|
|
Оснащенность |
|
|
|
|
Микро ЭВМ |
|
микропроцессор |
|
|
|
|
|
|
ными |
|
|
|
|
|
|
системами |
|
|
|
|
|
|
управления |
|
|
|
|
|
|
Оснащенность |
|
«Прицел-3» |
«Прицел-3» |
«Прицел-3» |
«Прицел-3» |
«Прицеп-3» |
приборами |
|
|
|
|
|
|
совмещения со |
|
|
|
|
|
|
стыком |
|
|
+ |
|
|
|
Совместимость |
|
+ |
|
+ |
|
|
с системами |
|
|
|
|
|
слежения за |
* |
|
стыком |
||
|
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
86 |
Оборудование |
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
для электронно-лучевой сварки |
87 |
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
88 |
Оборудование |
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
для электронно-лучевой сварки |
89 |
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
90 |
Оборудование |