3.4. Автоматическое регулирование процесса сварки электронным лучом

3.4.1. Краткая характеристика процесса электронно-лучевой сварки как объекта управления

При электронно-лучевой сварке (ЭЛС) источником нагрева свариваемого металла является электронный луч – направленный поток быстро движущихся электронов, кинетическая энергия которых превращается в тепловую при ударе их о поверхность свариваемого изделия. Скорость электронов в луче составляет примерно 100000 км/с, и поэтому, несмотря на их незначительную массу, кинетическая энергия электронов достаточна для осуществления сварки.

Для формирования пучка электронов с заданными параметрами

65

и для управления этими параметрами по величине и координате относительно изделия в электронно-лучевых установках имеется энергетический комплекс устройств, в состав которого входят электронно-лучевая пушка, высоковольтный источник питания, системы управления и контроля.

Н а рис. 32 схематично показана достаточно часто используемая электронно-оптическая система (электронно-лучевая пушка), создающая поток электронов и формирующая желаемое поперечное сечение луча на поверхности изделия.

Тепловая энергия, образующаяся при торможении электронов, расплавляет металл в месте сварного соединения, обеспечивая узкий («кинжальный») по форме поперечного сечения проплав.

Основными параметрами процесса ЭЛС являются:

• ускоряющее напряжение Uуск (без биологической защиты выпускаются пушки на ускоряющее напряжение 30 кВ, с биологической защитой – на 60 и 150 кВ);

• ток электронного пучка Iп, мА;

• ток электромагнитной фокусирующей линзы Iм, мА, определяющей диаметр пятна воздействия потока электронов на деталь;

• скорость сварки Vсв, м/ч.

На процесс электронно-лучевой сварки действуют различного рода возмущения, среди которых колебания напряжения питающей сети, физическое старение оборудование, некачественная подготовка деталей к сварке, неточная сборка и др.

При колебаниях ускоряющего напряжения изменяется положение фокусного пятна на свариваемых деталях, что

66

существенно влияет на глубину проплавления.

Угол отклонения пучка при постоянном токе отклоняющей катушки зависит от ускоряющего напряжения, поэтому при изменении Uуск от заданного значения в процессе сварки луч может сместиться со свариваемых кромок.

Ток пучка в процессе сварки зависит от эмиссионной способности катода и величины ускоряющего напряжения.

Таким образом, чтобы получить шов требуемого качества, необходим контроль и стабилизация основных параметров процесса электронно-лучевой сварки.

Для электронно-лучевых пушек разработаны и применяются: системы стабилизации мощности пучка электронов, системы стабилизации тока пучка электронов, тока электромагнитных фокусирующих линз, скорости сварки, система автоматической фокусировки пучка электронов и др.

Специфичными для ЭЛС являются системы автоматического регулирования, использующие в качестве носителя информации о состоянии процесса сварки эффект эмиссии вторичных электронов с поверхности свариваемого изделия.

Для регистрации интенсивности и характера потока вторичных электронов используют специальное устройство – коллектор 6 (рис. 18), который представляет собой изолированный металлический электрод произвольной формы, расположенный над свариваемым изделием вблизи от сварочной электронной пушки, но за пределами сварочного пучка электронов.

В цепи коллектора 6 возникают импульсы тока, обусловленного вторичными электронами при сканировании основного луча электронов поперек стыка и уменьшенного по мощности так, чтобы не расплавлялись кромки. Импульсы тока преобразуются в импульсы напряжения U на резисторе R (рис. 32), которое в дальнейшем используется для управления параметрами процесса сварки.