2794.Электронно-лучевая сварка

Описанная в экспериментах [10–11, 28–29] корреляция амплитуды высокочастотной составляющей с режимом фокусировки, по-видимому, обусловлена тем, что вероятность возникновения ионно-звуковой неустойчивости возрастает при увеличении скорости дрейфа электронов (величины вторичного тока). Как было сказано [10–11], вторичный ток носит импульсный характер. При взаимодействии пучка с нижними областями канала проплавления вторичный ток практически равен нулю. Ток резко возрастает (экспоненциально [30]) при поднятии области взаимодействия по стенкам канала. Резкое возрастание приводит к «запиранию» плазменного промежутка вследствие аномального сопротивления плазмы. Развивается ионно-плазменная неустойчивость, и продолжительный импульс вторичного тока превращается в серию высокочастотных всплесков с частотами, определяемыми условием (4.2).

Представляет интерес возможность возникновения описанного явления при измерении тока несамостоятельного разряда в плазме, образующейся в области лазерной сварки. В физике плазмы известно столкновительное затухание колебаний. При высоких концентрациях нейтральных атомов возрастает вероятность соударений частиц плазмы за период колебаний. Если число этих столкновений очень велико, то колебания затухают очень быстро и само понятие колебаний теряет смысл. Приведенные рассуждения говорят о том, что в случае электроннолучевой или лазерной сварки в атмосфере возникновение описанных ионно-звуковых волн маловероятно, чего нельзя сказать о случае лазерной сварки в вакууме.

Таким образом, можно заключить, что наблюдаемые высокочастотные колебания тока, отбираемого положительным электродом, являются результатом релаксационных автоколебательных процессов в плазменном факеле над зоной сварки. При исследовании процессов в канале проплавления целесообразно коллектор электронов ставить как можно ближе к зоне сварки. В этом случае колебания плазмы в спектре будут располагаться

361

вобласти частот более 50 кГц и область с частотами ниже 20 кГц отражает колебания в канале проплавления. При анализе спектров вторичного тока при больших расстояниях до коллектора (R > 100 мм) возникает сложность, связанная с тем, что низкие гармоники попадают в область колебательных процессов

вканале проплавления и образуют при этом сложные, результирующие с колебаниями термоэлектронного тока колебания. Кроме того, при исследовании процессов необходимо учитывать то, что сигнал распространяется со скоростью ионнозвуковых волн. Таким образом, возникает дополнительная за-

держка τ = L/Vs ~600 мкс, которую целесообразно учитывать при применении метода синхронного накопления [27–28].

4.2. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА КОГЕРЕНТНОГО НАКОПЛЕНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЭЛС С ОСЦИЛЛИРУЮЩИМ ПУЧКОМ

Ниже приводятся результаты исследования сигнала вторичного тока методом синхронного накопления [27–31]. Метод синхронного накопления является продолжением метода синхронного детектирования и широко используется для перемещения электронного пучка по шву [32], но для исследования процессов в канале проплавления и для управления сваркой он стал применяться только в последнее время [27–28].

При ЭЛС с осцилляцией в сигнале тока коллектора появляется дополнительная упорядоченность (рис. 4.11). Введение периодических воздействий на электронный пучок (модуляция тока луча, использование небольших осцилляций пучка около его стационарной позиции) приводит к упорядочению колебаний в канале проплавления. Всплески вторичного тока следуют периодически, с частотой, кратной частоте осцилляции. При более детальном рассмотрении (см. рис. 4.8, б) обнаруживается, что каждый всплеск представляет собой серию высокочастотных ква-

362

зипериодических импульсов. Эти импульсы имеют стохастически изменяющуюся амплитуду и довольно значительную величину (до 0,5 А).

Рис. 4.11. Осциллограммавторичного тока в плазме Ik исигнал тока в отклоняющей поперек стыка катушке. Сварка стали с осцилляцией поперек стыка (2,5 кВт, острый фокус (∆ If = 0), частота осцилляции 561 Гц, размер развертки 0,9 мм)

Реализация метода синхронного накопления поясняется с помощью блок-схемы на рис. 4.12. Для реализации метода синхронного накопления из периодического сигнала отклоняющих катушек Osc (t) с периодом T формируется прямоугольный опорный сигнал малой скважности такого же периода – g (t). Опорный сигнал g (t + τ) сдвигается относительно полученного сигнала Osc (t) на заданный промежуток време-

ни τ (рис. 4.13).

Сигнал вторичного тока в плазме Ik(t) обрабатывается цифровым или аналоговым фильтром. Полученный сигнал Data (t) выпрямляется изатемперемножается с базовымсигналом– g (t + τ). Результат интегрируется по времени:

t0

S (τ )= ∫ g (t + τ ) Data (t ) dt,

0

где t0 – опорное время.

363

С каждым положением области сопоставляется среднее значение амплитуды высокочастотных колебаний вторичного тока.

На рис. 4.14, а представлены результаты обработки сигнала вторичного тока методом синхронного накопления при ЭЛС с осцилляцией поперек шва при острой фокусировке. Частота равнялась 560 Гц, амплитуда – 1 мм. Форма функции близка к симметричной, что, наверное, является ожидаемым результатом. Можно также представить полученную функцию в фазовом пространстве сигнал – смещение электронного пучка в канале проплавления. Для этого на горизонтальной оси откладываются значения тока отклоняющих катушек или положение электронного пучка в канале проплавления (рис. 4.14, б).

Рис. 4.14. Функция S (τ), являющаяся результатом обработки вторичного сигнала методом синхронного накопления (1); сигнал тока отклоняющих катушек Osc (t) при сварке стали с осцилляцией поперек стыка (2): P = 2,5 кВт, острый фокус (∆ If = 0), частота осцилляции f = 561 Гц, размер развертки 2A = 0,9 мм

На рис. 4.15 представлены результаты, полученные при продольной осцилляции. Асимметрия графика при продольной осцил-

365

ляции отражает асимметрию канала проплавления в продольном направлении. В спектре вторичного сигнала в данном случае будет превалировать 1-я гармоника. Можно отметить характерное отставание сигнала от сигнала отклоняющих катушек.

Рис. 4.15. Функция S (τ), полученная при обработке сигнала вторичного тока методом синхронного накопления, от τ (а); S (τ) в фазовой плоскости (б): 1 – функция S (τ), 2 – сигнал тока с отклоняющих катушек Osc (τ)

В ходе экспериментов была выявлена зависимость параметров функции S (τ) от режима фокусировки электронного пучка. Знак и величина ∆τ0 (∆S) зависят от режима фокусировки электронного пучка, значение лага монотонно уменьшается с положительного в режиме сварки с недофокусированным электронным пучком до отрицательного в режиме сварки с перефокусированным пучком (табл. 4.1, рис. 4.16). Это позволяет идентифицировать режим фокусировки электронного пучка при электроннолучевой сварке без применения дополнительного низкочастотно-

366

го сканирования током фокусирующей линзы. Данная зависимость может быть использована в методах оперативного контроля фокусировки электронного пучка в процессе сварки.

Таблица 4 . 1

Геометрия сварного шва и значение сдвига ∆τ 0 при различных режимах фокусировки электронного пучка

В табл. 4.2 даны дополнительные эксперименты для величин экстремумов функции S(τ) для нескольких серий экспериментов с отличающимися режимами сварки.

На рис. 4.17 представлены кривые зависимости разности величин максимумов функции S (τ), полученной методом когерентного накопления при ЭЛСс осцилляциями пучка вдоль стыка.

На рис. 4.17 кривая 1: амплитуда осцилляции пучка 2A = 1,5 мм; частота осцилляции FOsc = 630 Гц; ток пучка Ib = 50 мА; кривая 2: 2A = 0,8 мм; FOsc = 630 Гц; Ib = 50 мА; кривая 3: 2A = 0,8 мм; FOsc = 630 Гц; Ib = 40 мА; кривая 4: 2A = 0,6 мм; FOsc = 380 Гц, Ib = 55 мA.

367

Окончание табл. 4 . 2

Примечание: If – ток фокусировки; Ib – ток пучка; FOsc – частота продольных осцилляций; 2A – удвоенная амплитуда отклонения при осцилляциях пучка.

Рис. 4.17. Зависимость (max1 – max 2) значений функции S(τ) от тока фокусирующей системы If

Разность между двумя максимальными значениями (max1 –

–max 2) функции S (τ) уменьшается с ростом тока фокусировки (см. табл. 4.1, 4.2), как и при уменьшении амплитуды отклонения при осцилляции пучка (см. табл. 4.2, рис. 4.13).

Из этих результатов можно сделать заключение, что фазовый сдвиг функции S (τ) и разность величин максимумов (max1 –

–max 2) могут быть использованы как основа для создания новых методов управления позицией фокуса во время процесса ЭЛС.

369

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Нестеренков В.М. Влияние геометрии сварного шва на параметры ионного тока при электронно-лучевой сварке // Автома-

тическая сварка. – 1982. – № 3. – C. 34–36.

2.Krinberg I.A., Mladenov G.M. Formation and expansion of the plasma column under electron beam-metal interaction // Vacuum. – 2005. – Vol. 77. – P. 407–411.

3.Control of low-temperature plasma when electron beam welding non-ferrous metals and their alloys in intermediate vacuum / V.O. Tokarev, O.E. Ostrovskii, V.A. Kazakov, I.V. Alekseev // Welding

International. – 1995. – Vol. 9, № 12. – P. 987–988.

4. Ho C.Y., Wen M.Y., Ma C. Plasma from electron beamevaporation of a metal target // Advanced Materials Research. – 2010. – Vol. 83–86. – P. 1190–1196.

5. Pat. 35924. Method for electron beam focusing at electron beam welding / G. Mladenov, G. Grigorov. № 60014/1983, code B23

K15/00 (Bulgaria). 1983.

6. Беленький В.Я., Язовских В.М., Журавлев А.П. О природе вторичного тока в плазме, образующейся в зоне взаимодействия электронного луча при сварке // Физика и химия обработки мате-

риалов. – 1983. – №6. – С. 128–131.

7. Belen'kii V.Y., Yazovskikh V.M. Control of electron beam welding using plasma phenomena in the molten pool region // Welding International. – 1997. – Vol. 11, №7. – P. 554–556.

8.Yazovskikh V.M., Trushnikov D.N., Belenk’iy V.Y. The mechanism of secondary emission processes in electron beam welding

with the modulation of the electron beam // Welding International. – 2004. – Vol. 8, № 9. – P. 724–729.

9.Experimental investigations of the weld cross section at elec-

tron beam welding of high-strength steel / D.N. Trushnikov, E.G. Kolewa, V.Y. Belenkiy, G.M. Mladenov // Electronika & Electrotechnika. – 2012. – Vol. 5–6. – P. 108–114.

370