3. Разработка систем управления и диагностики универсальной установки для электронно-лучевой сварки

Наряду с исследованием процессов массопереноса в сварочной ванне и отработкой новых технологических приемов сварки велось также совершенствование систем управления и диагностики сварочной установки.

Была поставлена задача обеспечить в режиме реального времени мониторинг процессов управления и текущего состояния вакуумной системы установки, высоковольтного источника питания, системы управления движением манипулятора. Особое внимание было уделено диагностике электронного луча как инструмента, обеспечивающего сварной шов нужного качества.

1. Разработка системы диагностики параметров электронного луча в установках для электронно-лучевой сварки

В большинстве имеющихся промышленных установок для электронно­лучевой сварки (ЭЛС) воспроизводимость швов обеспечивается за счет контроля основных параметров процесса: тока луча, тока магнитной фокусирующей линзы, рабочего расстояния пушка-изделие, ускоряющего напряжения, скорости сварки. О работоспособности катода судят по суммарному времени его работы. Однако не контролируются пространственно-энергетические параметры луча перед сваркой: положение фокуса относительно поверхности изделия, минимальный диаметр, угол сходимости, максимальная плотность тока и ее распределение в луче.

Известно применение проволочного вращающегося зонда для определения геометрии электронного луча [9, 10]. Более точно структура луча, контур и положение фокуса определяются при помощи датчика с радиально расположенными щелями [11] или, как в системе диагностики луча DIABEAM [12], - пластины с отверстием малого диаметра (0,1 мм). Однако, чтобы с помощью этих систем определить форму луча в продольном направлении, нужно перемещать датчик вдоль оси пучка, что усложняет работу оператора-сварщика. Ограничена несколькими киловаттами и предельно допустимая мощность исследуемого пучка электронов из-за теплового разрушения датчиков.

Учитывая, в первую очередь, потребности производства, в ИЭС им.Е.О.Патона НАНУ была разработана описываемая компьютеризированная система диагностики электронного луча, предназначенная для комплектации современных электронно-лучевых сварочных установок с мощностью пучка электронов до 100 кВт [13]. Система снабжена дружественным экранным интерфейсом, облегчающим ее использование.

Устройство диагностики расположено в специально отведенном месте сварочной камеры, в стороне от свариваемого изделия. Перед процедурой диагностики электронная пушка перемещается в положение выше датчика и мишени (рис.3.1). Диагностика луча производится методом «края пластины» [14]. Электронный луч большую часть времени отклонен на мишень и только кратковременно отклоняется в противоположном направлении. При этом луч пересекает край датчика, который соединен с «землей» через сопротивление утечки. В цепи датчика протекает импульс тока, по крутизне фронта нарастания которого рассчитывается распределение плотности тока в поперечном сечении луча. Импульс по величине нормируется согласующим усилителем и далее передается в компьютер через быстродействующий аналого-цифровой преобразователь (АДП).

Измерения проводятся при изменении тока фокусирующей линзы. В результате компьютерной обработки полученного массива данных рассчитывается пространственное распределение мощности в луче, положение фокуса, минимальный радиус и т.д. Соответствующие расчеты проводятся при допущении, что электронный луч имеет о севую симметрию. Это допущение полностью справедливо для сварочных пушек, использующих шайбовые или стержневые катоды, обладающие круговой симметрией. Если же в электронной пушке используется катод, изготовленный из проволоки или ленты, то осевая симметрия в луче может нарушаться и точность измерений будет снижена.

Рисунок 3.1 - Схема диагностики электронного сварочного луча (изображение на экране монитора)

Рассмотрим особенности работы системы и процедуры измерений.

Для пересчета времени нарастания импульса в единицы длины в системе предусмотрена процедура калибровки скорости движения луча относительно датчика. Для этого в конструкции датчика имеется реперный элемент с известным размером в направлении движения луча. При пересечении лучом этого элемента измеряется длительность импульса тока. Отсюда определяется скорость движения луча:

где: S - длина элемента, τ - длительность импульса.

Калибровка скорости проводится на двух крайних используемых расстояниях датчика от пушки - минимальном и максимальном. В последующем, при установке датчика в какое-либо промежуточное положение относительно пушки, скорость движения луча относительно датчика автоматически пересчитывается по линейной зависимости, с использованием этих двух калибровочных значений.

Принцип построения профиля луча в продольном осевом сечении R,Z поясним с помощью рис.3.2 а,б,в. На рис.3.2а показано исходное положение измерительной пластины S относительно фокуса пучка, в свою очередь расположенного на расстоянии b от средней плоскости фокусирующей линзы. Ситуация, когда для исследования параметров пучка вдоль его оси перемещают датчик с шагом ∆Z и производят замеры на каждом шаге, показана на рис.3.2б. На рис.3.2визображена ситуация, когда при неизменном исходном положении измерительной пластины исследование пучка осуществляется за счет пошагового изменения фокусировки луча на величину ∆b.

В исходном состоянии (рис.3.2а) в плоскости датчика луч имеет радиус r_s и уголсходимости α:

где: b - расстояние от средней плоскости линзы до фокуса луча, R_о- радиус луча в средней плоскости линзы, Z_f- расстояние от плоскости датчика дофокуса.

В случае изменения положения датчика на величину ∆Zлуч имеет в этом месте радиус r₁(рис.3.26):

Е сли же изменять фокусировку луча на величину ∆b, а положение датчика не менять (рис.3.2в), то в плоскости датчика луч имеет радиус r, при этом становится немного другим угол сходимости α:

Сравним выражения для r₁ и r. Видно, что если в знаменателе для r величина ∆bb, а ∆ ∆b, то получаем r₁ r и вместо того, чтобы изменять положение датчика, молено изменять фокусировку луча. Соотношение ∆bb полностью справедливо для случая исследования луча непосредственно вблизи его фокуса. Для оценки точности определения конфигурации пучка на значительном удалении от плоскости расположения фокуса логарифмируем, а потом дифференцируем выражение для r:

Р исунок 3.2 - Схема получения данных для построения профиля луча с распределением плотности тока в продольном осевом сечении R, Z; ML — средняя плоскость магнитной фокусирующей линзы, S- положение датчика;

1. исходное положение датчика;

2. смещение датчика на величину ∆Zпри обычном способе построения зависимости R(Z);

3. изменение фокусировки луча на величину ∆b при предложенном способе построения зависимости R(Z)

Из последнего выражения следует, что если рассчитывается радиус луча для области ближе к пушке, чем расположен датчик (в нашем случае это соответствует уменьшению степени фокусировки луча, т.е. фокус опускается ниже, величина “b” увеличивается и при этом ∆b> 0, как видно из рис.3.2в), то получаются заниженные значения радиуса (погрешность ∆r< 0). Если же рассчитывается радиус для расстояний больше, чем до датчика (в нашей схеме измерений это соответствует тому, что фокус поднялся, т.е. “b” уменьшилось и ∆b< 0), то значения радиуса завышены (∆r> 0). Чтобы исключить эти ошибки в определении r(z) , значения r следует умножить на поправочный коэффициент, учитывающий знак ∆b:

где: b_s- расстояние от средней плоскости линзы до датчика. Эта поправка предусмотрена в алгоритмеработы системы диагностики.

Д ля нахождения величины ∆b при изменении тока магнитной линзы на величину ∆I_fпроизводятся два измерения. В одном измерении определяется токфокусирующей линзы I_f1, соответствующий «острой» фокусировке луча на датчике при его близком положении z_S1относительно пушки. В другом измерении таким же образом определяется ток линзы I_f2 при дальнем положении z_S2датчика. Рассчитывается величина

О тметим, что ∂b/∂If< 0, так как с уменьшением тока линзы расстояние «b» увеличивается. В последующих расчетах текущая координата zопределяется выражением:

Распределение плотности тока в поперечных сечениях луча рассчитывается численными методами следующим образом. Все сечение луча разбивается на Nколец. В пределах каждого кольца плотность тока J_nпринимается постоянной. Система из Nлинейных алгебраических уравнений для нахождения неизвестных J_nможет быть записана в матричном виде:

з десь:

к вадратная матрица размерностиNxN, ее члены пропорциональны площади участков колец, на которые приходятся разные плотности тока,

вектор N-го порядка, его составляющие — искомые значения плотности тока для каждого кольца,

также вектор N-гoпорядка, его составляющие - ординаты фронта импульса.

Для каждого отдельного измерения можно вывести на дисплей изображение фронта импульса (рис.3.3, левая половина). По его виду можно предварительно судить о величине радиуса луча и о ходе процесса измерений.Крутизна фронта импульса обратно пропорциональна радиусу луча. Плавный фронт импульса, без выбросов, свидетельствует об отсутствии помех при измерении или сбоев в работе АЦП при регистрации импульса. Длительность импульса во времени пересчитывается в единицы длины за счет умножения на скорость движения луча. Центр луча определяется как абсцисса фронта импульса на половине его амплитуды.

Р исунок 3.3 - Слева - изображение фронта импульса, соответствующее одному отдельному отклонению луча на датчик (вертикальная ось - ток датчика, мА; горизонтальная ось - расстояние в направлении поперек оси луча, мм); справа - распределение плотности тока в поперечном сечении луча, рассчитанное для данного фронта импульса (вертикальная ось - плотность тока, отн. ед; горизонтальная ось - радиальная координата, мм).

По найденным значениям Jnстроятся распределения плотности тока для каждого поперечного сечения луча (рис.3.3, правая половина). Распределение с наибольшей плотностью тока на осиJ=J_max соответствует острой фокусировке луча на датчике; эта величина J_max выводится как характерный параметр луча (см. ниже, рис.3.4 и 3.5). Как отмечается в работе [15], точность расчета распределения плотности тока зависит от погрешности измерений координат фронта импульса. Поэтому в расчетах предусмотрена процедура статистического сглаживанияданных измерений. Ширина окна сглаживания выбрана равной х_φ/N, где

х_φ= ν*τ_φ(τ_φ– длительность фронта импульса)

Для каждого распределения также рассчитывается усредненный эффективный радиус луча в предположении, что распределение можно аппроксимировать законом Гаусса [10]. В пределах этого радиуса проходит 63 всего тока луча, можно показать, что этот радиус вычисляется из фронта импульса следующим образом:

R= [х(А = 0,8)- х(А = 0,2)] *0,84;

здесьА =0,8 иА =0,2 - ординаты фронта импульса, равные 0,8 и 0,2 от амплитуды, соответственно.

Из всех распределений (для данной серии измерений) выбирается наименьший эффективный радиуслучаR_min, что соответствует остройфокусировке луча на датчике. Эта величина также выводится в информационной строке (см. рис.3.4 и 3.5).

Полученные распределения плотности тока в поперечных сечениях луча (при разных расстояниях Z) используются для построения профиля луча с пространственным распределением плотности тока в продольном осевом сечении R, Z(см. рис. 3.4). На этом изображении области разного цвета представляют распределение плотности тока в луче: желтым цветом обозначена область 75...100% от максимальной плотности тока J_max, красному цвету отвечает (50...75%) J_max, белым обозначена область 25...50%, синим - менее 10% и голубым контуром - контур луча. На этом же изображении серым цветом представлено задаваемое оператором положение изделия относительно пушки (его поперечное сечение).

Таким образом, первое, что видит оператор-сварщик, глядя на изображение, — это как относительно изделия и толщины изделия расположен фокус луча, его зона наибольшей плотности мощности (наиболее «горячее» место) при заданном токе фокусирующей линзы, как нужно изменить фокусировку, чтобы поместить минимальное сечение луча на требуемый уровень относительно поверхности изделия.

Рисунок 3.4 - Вверху - пространственное распределение плотности тока в продольном осевом сечении луча; внизу - изменение эффективного радиуса Rвдоль оси Z.

Рисунок 3.5 - Сравнение двух результатов измерений; вверху - пушка с новым катодом; внизу - катод с ухудшенной эмиссионной способностью из-за длительной эксплуатации катода (более 50 часов).

Изображение луча образмерено: по горизонтальной оси указывается расстояние от нижнего торца электронной пушки в миллиметрах (ось Z), по вертикальной оси - радиус луча, также в миллиметрах (ось R).

В информационных строках отображаются величины, которые задает оператор: ток луча 1ь, ток фокусирующей линзы If, рабочее расстояние WD (workingdistance) — от торца пушки до поверхности изделия и толщина изделия ТН (thickness). Здесь же даются величины, которые рассчитываются системой диагностики луча: расстояние от торца пушки до фокуса луча Z_min, эффективный минимальный радиус луча в фокусе R_min, максимальная плотность тока J_max, угол сходимости луча (половинный).

В этом же окне дается график зависимости R(Z): как изменяется эффективный радиус луча вдоль оси, для данной фокусировки (рис.3.4, нижняя половина).

Системой диагностики достаточно наглядно отражаются какие-либо изменения качества электронного луча. Чтобы количественно отразить эти изменения, в системе диагностики имеется возможность производить сравнение двух результатов измерений, например, для электронного луча в начальном состоянии (пушка с новым катодом) и в некотором, подлежащем сравнению - (рис.3.5). В нижней половине рис. 3.5 представлено пространственное распределение плотности тока и приведены параметры луча для катода, проработавшего в пушке длительное время. Видно, что по сравнению сэталонными результатами (верхняя половина рис.3.5) луч изменился: увеличился минимальный эффективный радиус R_min, уменьшилась максимальная плотность тока J_max; в распределении плотности мощности нет зоны, составляющей 75...100% от первоначальной максимальной плотности.

Вообще, для конкретной промышленной ЭЛС установки заключение о сохранении работоспособности пушки или, в частности, о необходимости замены катода, определяется технологическими условиями на электронно-лучевую сварку конкретного изделия. В технологической карте должны быть отражены величины допустимых отклонений положения фокуса луча Z_min, минимального радиуса луча R_min угла сходимости, плотности тока J_max. В случае недопустимо большой величины отклонения по какому-либо параметру луча, системой диагностики выдается заключение о плохом состоянии катода пушки и необходимости его замены: “replacecathode”.

Р асчетную погрешность определения тока магнитной фокусирующей линзы, нужного для фокусировки луча с половинным углом сходимости а на заданном рабочем расстоянии, можно записать в следующем виде:

здесь погрешность определения радиуса луча

частотапреобразования применяемого АЦП определяет точность определениядлительности импульса

Расчетная и экспериментальнополученная величина определения необходимого тока магнитной линзы составляет 0,5... 0,7% .

В заключение описания приведем технические данные системы диагностики, представляющей собой автономный программно-аппаратный комплекс, выполненный на базе промышленного или персонального компьютера, и встраивание которого в любую компьютеризированную сварочную установку не представляет трудностей.

амплитуда импульса тока отклонения........................5 А;

частота отклоняющих импульсов................................3 Гц;

длительность импульса отклонения………………….. 30... 50мкс;

расстояние от датчика до оси отклоненного луча…... 20 мм;

среднее расстояние от нижнего торца пушки

до датчика...................................................................... 150 мм;

средняя скорость движения луча относительно

датчика........................................................................... 1000 м/с

частота преобразования АЦП………………………… 40 МГц;

точность преобразования……………………………... 8 разрядов

диапазон мощности исследуемых пучков…………… 1... 100 кВт

точность определения положения фокуса пучка……. 0,5...0,7%