книги / Основы электронно-лучевой обработки материалов

рость опускания дна ванны в материал (скорость фронта испаре­ ния), см/с.

Р (сТ К И П ~Ь ^-исп^ *

здесь р — плотность свариваемого метадла> г/см3; с — его тепло­ емкость, кал/г-град; 7КИП— температура кипения, град; Аасп — теплота испарения, кал/г. Тогда удельная мощность

Р кип ~т~ /-исп) V"*afAt. (324)

Изменение удельной мощности в процессе электронно-луче­ вого воздействия приводит к изменению величины At. Если д2 по каким-то причинам уменьшается, то At растет, если q2 увеличи­ вается, At уменьшается в соответствии с формулой (324).

Таким образом, контроль задержки испарения At по существу есть контроль комплексного параметра, каким является вели­ чина рь>. Рассмотрим некоторые ппимепу контроля степени на- грева при электронно-лучевом воздействии.

]. Допустим, необходимо получить сварной шов заданной глу­ бины и ширины. Необходимые для этого, величины тока луча /, ускоряющего напряжения U, диаметр ^уча d и соответственно удельной мощности q2 установлены. Затьм по приведенным выше формулам определяют величину At, котс,рУю необходимо поддер­ живать в процессе сварки постоянной. к; датчику тока эмиссии из сварочной ванны подключают регулятор, который контроли­ рует величину At и обеспечивает ее поддержание на заданном уровне с помощью соответствующего изменения параметров.

2.При установленных параметрах электронного луча I, U, d

искорости сварки о в данном материале максимальная глубина

шва, которая может быть получена, раона я . Время импульса,

втечение которого осуществляется досгижеНие глубины Я, со­ ставляет величину t. Если в процессе сварки по каким-либо при­ чинам превышают величину t, то это приводих к возникновению

всварном соединении характерных для электронно-лучевой сварки дефектов — пустот в корне шва.

Из рис. 131 видно, что после достижьния максимального зна­ чения ток эмиссии из ванны, регистрируемый датчиком, начинает падать и достигает минимума. Момент достижения минимального значения тока в датчике (рис. 131, точк;а в) является моментом окончания формирования глубины прош1авления при данной q2. Далее начинается периодическое смыкание канала (неоптималь­ ный режим сварки), которое может проДоЛЖатьСя сколь угодно долго. Мощность луча при этом поглощается, а увеличения глу­

бины шва не происходит. За счет поглощения мощности начинает существенно расти ширина шва.

Для исключения появления газовых полостей в сварном шве в процессе сварки контролируют с помощью датчика ток эмиссии

221

из ванны и выключают электронный луч не позднее, чем в момент регистрации датчиком минимального тока эмиссии.

3.Допустим, необходимо исключить испарение металла в про­ цессе сварки. Подобные задачи возникают, например, при герме­ тизации корпусов интегральных схем, где не допускается попада­ ние паров металла на поверхности изоляторов. В этом случае с по­ мощью датчика тока эмиссии из ванны ведут контроль длитель­ ности импульса электронного луча и выключают его либо в мо­ мент достижения в датчике максимального тока, либо несколько раньше.

4.Допустим, необходимо нагреть поверхность материала им­ пульсом электронного луча до заданной температуры. Такие за­ дачи возникают при сварке с предварительным и сопутствующим подогревом, при обработке поверхностей с целью упрочнения, за­ калке и т. п. В этом случае, как и в предыдущих, с помощью дат­ чика тока эмиссии для заданных значений /, U9 d по величине At определяют q2. После этого по формуле

где К — коэффициент теплопроводности материала, кал/см *с • град, устанавливают длительность t импульса электронного луча, не­ обходимую для нагрева поверхности свариваемого металла до за­ данной температуры Т.

КОНТРОЛЬ И РЕГУЛИРОВАНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ ГЛУБИНЫ СВАРНОГО ШВА

Довольно четкий характер кривой тока, проходящего через деталь и коллектор (см. рис. 131), имеющий место в импульсном режиме, для движущегося луча, работающего в непрерывном ре­ жиме, не сохраняется. В этом случае происходит своего рода сглаживание кривой, но экстремум, соответствующий либо макси­ муму, либо минимуму тока термоэмиссии, сохраняется.

минимум, соответствующий интенсивной термоэмиссии (переход­ ный режим). При </2 > ql эта кривая имеет максимум, а кривая тока коллектора соответственно минимум. Изменение пара­ метров /, Ut d электронного луча при q2 > ql приводит к смеще­ нию экстремумов (в зависимости от тока фокусировки) либо к из­ менению амплитуды максимальных и минимальных токов, про­ ходящих через деталь и коллектор. Экстремальный характер кри­ вых сохраняется, что позволяет использовать их для регулиро­ вания глубины сварного шва.

Объект автоматического регулирования максимальной глу­ бины шва имеет следующие особенности: наличие нелинейной ста­ тической характеристики / м (/ф), имеющей естественный экстре-

222

Рис. 132. Блок-схема поискового алгоритма

мум типа максимума, описываемый квадратичной функцией и подверженный деформации при изменении мощности электронного луча; монотонный координатный дрейф этой характеристики при плавном изменении тока луча и напряжения; значительная за­ шумленность выходного параметра 1т\ наличие динамической части 1У/ф, которая в первом приближении может быть описана

как линейная.

Задача, связанная с разработкой экстремального регулятора глубины проплавления при электронно-лучевой сварке, решена Н. К- Илюшенко. Сущность решения этой задачи сводится к сле­ дующему.

Предложен подход, представляющий собой модифицированный алгоритм Гаусса—Зайделя с использованием последовательной процедуры Вальда для получения статистически надежной оценки частной производной в условиях интенсивных помех.

Закон регулирования выбран в виде уравнения

о п+1= и п + csignf/„ — In+1 + £) sign (Un — Un_,),

где с = const — шаг регулирования; Uп — позиционное управле­ ние; 1п — значение показателя экстремума; \ — помеха в канале измерения. В качестве метода борьбы с помехами использовано накопление.

Движение к экстремуму организуется управляющим устрой­ ством следующим образом: совершается шаг определенной вели­ чины и последовательно проверяется гипотеза о среднем значении

приращения выходного параметра объекта оптимизации А1т в ре­ зультате фиксированного шага на входе Д /ф. В качестве нулевой гипотезы предполагают, что шаг сделан в направлении от экстре­

мума, т. е. А1т< 0. В качестве конкурирующей гипотезы пред­ полагают, что шаг сделан в обратную сторону Д /т > 0 . В силу специфики экстремальных задач ошибки первого и второго рода неравноценны: вероятность ошибки второго рода должна быть меньше вероятности ошибки первого рода.

В блок-схеме основного поискового алгоритма (рис. 132) сиг­ нал Г = Im + g с детали подается на входной фильтр Ф и через распределитель Р на запоминающее устройство ЗУ. После запо­ минания дается команда на совершение шага и одновременно рас-

223

пределитель Р подает сигнал Г' на сравнивающее устройство для вычитания из запомненного Г' (/0). Текущее значение х (t) =

— AIm (t) + g накапливается в блоке 2 до тех пор, пока сумма

не превысит одного из порогов А или В. Если это был порог А, то в логическое устройство Л У подается команда [+ ] на совершение шага в усилитель фокусирующей катушки (УФК) в прежнем на­

правлении, если В — происходит реверс [— ]. Одновременно сиг­ нал сброса готовит ЗУ , Р, J к следующему такту*

Макетный образец экстремального регулятора разработан на базе аналоговой вычислительной машины, дополненной элек­ тронно-релейной приставкой (рис. 133). На входе усилителя У5 происходит суммирование двух сигналов: линейно изменяющегося направления с выхода генератора линейно изменяющегося напря­ жения (ГЛИН) и сигнала с генератора случайного сигнала ГСС (помеха). ГЛИН позволяет в широких пределах регулировать скорость нарастания выходного напряжения. Запоминание зна­ чения показателя качества производится интегратором У1 в ре­ жиме интегрирования. На выходе усилителя У2 сигнал пропор­ ционален текущей разности запомненного значения и действи­ тельного.

Текущая разность с усилителя У2 поступает на интегратор УЗ, где происходит накопление по Вальду. Пороги А я В реализованы на диодной схеме У4. Превышение одного из порогов ведет к сраба­ тыванию реле шага Рт. С помощью контактов Р ш производится сброс накапливающих элементов схемы и организуется очередное запоминание перед совершением шага в системе. В случае отри­ цательного приращения реле Р р обеспечивает реверс, при этом в дальнейшем направление движения сохраняется запоминанием

224

в триггере. Сигнал знака шага поступает на схему управления током в цепи фокусирующей катушки.

Опытная эксплуатация макета экстремального регулятора по­ казала устойчивость работы и хорошую помехозащищенность предложенного алгоритмического метода. Работа регулятора была опробована на электронно-лучевых установках А.306.05 и ЭЛУ-5. При сварке]нержавеющей стали и титана при q = 1 -ь 10 кВт глу­ бина проплавления отличалась от максимальной в пределах ±3% .

КОНТРОЛЬ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ОТВЕРСТИЙ, ПАЗОВ, СВАРНЫХ ШВОВ В ПРОЦЕССЕ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ

Выше на экспериментальных данных показано, что использо­ вание коэффициентов Клаузинга позволяет оценить эффективный КПДпроцесса электронно-лучевого нагрева при различной гео­ метрии образующегося канала.

В расчетах эффективного КПД ток термоэлектронной эмиссии из зоны обработки не учитывается, так как потери на термоэмис­ сию малы. Действительно, даже если ток термоэмиссии больше первичного, то, полагая / т= 0,1 -ь0,2 А, а энергию термоэлек­ тронов не больше 50 эВ, потеря мощности будет менее 10 Вт.

В то же время в силу большой разницы величины тока термо­ эмиссии с поверхности образца и из углубления, как было" пока­ зано, кинетическая кривая тока термоэмиссии может быть исполь­ зована при контроле и регулировании максимальной глубины шва или отверстия.

Анализ геометрии форм проплавления при сварке с исполь­ зованием коэффициентов Клаузинга показал, что, контролируя максимальную и минимальную величину тока термоэмиссии из ванны, можно достаточно точно судить о получающейся геометрии сварного шва или отверстия.

225

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Акулов А. И ., Чернышов Г. Г., Данилов В. А. Ударное воздействие по­ тока газов на пленку жидкого металла. — «Физика и химия обработки материа­ лов», 1973, № 4, с. 38—41.

2. Анализ особенностей тепловых процессов при сварке колеблющимся

систем управления электронно-лучевыми установками для сварки и размерной обработки материалов. Сварка электронным лучом (материалы конференции),

М..МДНТП, 1974, с. 114—116.

5.Башенко В. В. Электронно-лучевые установки. Л., «Машиностроение»,

№8, с. 3—4.

7.Башенко В. В ., Миткевич Е. А. Исследование процесса образования свар­ ного шва при электронно-лучевой сварке, — «Электронно-лучевая сварка» (Материалы II Всесоюзной конференции по электронно-лучевой сварке). Воро­

9. Беляев В. Н. Влияние электрического поля у поверхности эмиттера на характер тока и стабильность проплавления при электронно-лучевой сварке. —

12.Бишоп Г. Измерение обратного рассеяния электронов от толстых мише­ ней. — В кн.: Физические основы рентгеноспектрального локального анализа. М., «Наука», 1973, с. 109—116.

13.Бондарев А. А., Воропай Н. М. О силах, действующих на сварочную ванну при проплавлении алюминиевых сплавов электронным лучом. — «Физика и химия обработки материалов», 1974, № 2, с. 59—55.

14.Борискина Л . В., Кабанов А. Н ., Юдаев В, Н. О рассеянии электронного пучка материалом вещества при электронно-лучевой обработке. — «Физика и

химия обработки материалов», 1974, № 5, с. 20—26.

15. Борисов Н. А ., Дудко Г. В. Полировка кремниевых пластин электронным лучом. — «Электронная обработка материалов», 1969, № 5 (29), с. 30—34.

227

16. Браун Д. Методы расчета возбуждения рентгеновского излучения элек­ тронами. — В ки.: Физические основы рентгеноспектрального локального ана­

18.Бронштейн И. M.f Фрайман Б. С, Вторичная электронная эмиссия. М., «Наука», 1969. 408 с.

19.Бурмакин В. А ., Попов В. К. О некоторых физических явлениях процесса взаимодействия электронного пучка с твердым телом. — «Физика и химия обра­ ботки материалов», 1972, № 6, с. 5—13.

20.Ван-Дейк М. Методы возмущений в механике жидкости. М., «Мир», 1967, 362 с.

21.Васютин А. А., Дущенко В. К-, Росенко Е. А. Определение закономер­ ности изменения размерных параметров электронно-лучевой обработки методом

полного факторного эксперимента. — В кн.: Физико-технологические вопросы кибернетики. Киев, Изд-во ИК АН У С С Р , 1973, с. 17—22.

22.Вишняков Б. А., Осипов К- А. Электронно-лучевой метод получения пле­ нок из химических соединений. М., «Наука», 1970, 144 с.

23.Влияние гидродинамических явлений в сварочной ванне на формирова­ ние шва при электронно-лучевой сварке. — «Физика и химия обработки материа­

26.Головяшкина Л . В., Косарев Ю. Г., Находкин Н. Г. Пространственное распределение отраженных и поглощенных электронов. Вычислительные си­ стемы. Новосибирск, «Наука», 1973, вып. 56, с. 130—135.

27.Головяшкина Л . В., Находкин Н. Г. Прямое моделирование неупругого рассеяния электронов. — В кн.: Вычислительные системы. Новосибирск, «Наука», 1972, вып. 52, с. 5—21.

35. Денискин Ю. Д. Влияние проникновения электронов в твердое тело на импульсный нагрев бомбардируемой ими поверхности. — «Журнал технической

процессов при электронно-лучевом легировании кремния. — «Физика и химия

228

фологию поверхности пленок, получаемых с помощью ОКГ. — «Журнал техни­

мах образования и распределения дефектов в кремнии и германии при электрон­ но-лучевом нагреве. — «Физика и химия обработки материалов», 1970, N° 2,

с.25—29.

41.Дэшман. Научные основы вакуумной техники. Перевод с англ, под ред. М. И. Меньшикова, М., «Мир», 1964.

42.Ерохин А. А. Основы сварки плавлением. Физико-химические законо­

мерности. М., «Машиностроение», 1973. 448 с.

43.Ерохин А. А., Ищенко Ю. С. Особенности расчета кривизны ванны и сил поверхностного натяжения при сварке. — «Физика и химия обработки материа­ лов», 1967, № 1, с. 39.

44.Ерохин А. А., Резниченко В. Ф. К расчету глубины проплавления при

электронно-лучевой сварке. — «Сварочное производство», 1976, № 4, с. 4—6. 45. Ерохин А. А., Резниченко В. Ф., Худышев А. Ф. Об эффективности коэф­ фициента полезного действия процесса проплавления (сварки) электронным лу­

чом. — «Физика и химия обработки материалов», 1970, № 3, с. 131—133.

46.Жариков И. Ф., Немчинов И. В., Цикулин М. А. Исследование воздей­ ствия на твердое вещество светового излучения, полученного при помощи источ­ ника взрывного типа. — «Журнал прикладной механики и технической физики», 1967, № 1, с. 31—44.

47.Захаров М. И. Нагрев тела импульсным электронным потоком. — «Элек­ тронная техника», Сер. 1, Электроника СВЧ, 1971, N° 11, с. 12—22.

48.Захаров М. И., Худышев А. Ф. Расчет и исследование температурного поля при импульсной электронно-лучевой сварке тонкостенных конструкций электронных и других приборов. — «Физика и химия обработки материалов», 1968, N° 4, с. 10—19.

49.Зельдович Я. Б., РайзерЮ. П. Физика ударных волн и высокотемператур­ ных гидродинамических явлений. М., 1966, 688 с.

50.Золотых Б. Н. О физических процессах при электроэрозионной обра­ ботке. — «Физика и химия обработки материалов», 1967, N° 1, с. 7.

51.Зуев И. В. Применение электронно-лучевой сварки для герметизации корпусов микросхем. — «Обмен опытом в электронной промышленности», 1967, N° 3, с. 42—50.

52.Зуев И. В. Герметизация корпусов интегральных схем электронно-луче­

вой сваркой. — В кн,: Сварка в приборостроении. Л., ЛДНТП, 1969, с. 42—48. - 53. Зуев И. В. Использование импульсных электронных пучков для получе­ ния пленок. Труды МИЭТ, серия физико-математическая, вып. XXII, 1976,

с.99—102.

54.Зуев И. В., Рыкалин Н. Н., Углов А. А. О кинжальном проплавлении

56.Зуев И. В., Рыкалин Н. Н., Углов А. А. Оценка критической удельной мощности электронно-лучевой сварки металлов с кинжальным проплавлением. — «Физика и химия обработки материалов», 1970, N° 3, с. 3—7.

57.Зуев И. В., Рыкалин Н. Н., Углов А. А. К оценке геометрических пара­ метров канала при действии электронного луча на металлы в режиме кинжального проплавления. — «Физика и химия обработки материалов», 1970, №4, с. 21—23.

58.Зуев И. В., Рыкалин Н. Н., Углов А. А. Оценка глубины проплавления при электронно-лучевой сварке. — «Физика и химия обработки материалов»,

1972, N° 1, с. 9—14.

59. Зуев И. В., Рыкалин Н. Н., Углов А. А. О колебаниях глубины проплав­ ления при электронно-лучевой сварке. — «Физика и химия обработки материа­ лов», 1975, № 1, с. 136—141.

229

60. Зуев И. В., Рыкалин Н. Н ., Углов А. А. Эффективный К П Д электронно­ лучевого нагрева. — «Физика и химия обработки материалов, 1976, № 1, с. 22— 25.

61. Зуев И. В., Углов А. А . Об измерении диаметра электронного луча мето­ дом вращающегося зонда. — «Физика и химия обработки материалов», 1967,

№5, с. 110—112.

62.Зуев И. В ., Углов А. А. К определению величины заглубления фокуса

электронного луча в материал при сварке и обработке. — «Физика и химия обра­ ботки материалов», 1974, № 5, с. 166.

63. Зуев И. В., Углов А . А ., Янчук Л . М. О влиянии степени фокусировки электронного луча на геометрию проплавления. «Сварка электронным лучом»

№2, с. 7—9.

65.Иванов А. А. О роли неустойчивостей плазмы в плазмохимии. — В кн.:

Химия плазмы. Выл. 2. М., Атомиздат, 1975, с. 130—160.

66. И сследование формирования границы при размерной электронно-луче­ вой обработке в условиях наползания расплава на твердую фазу. Методы мини­ атюризации и автоматизации производства компонентов ЭВМ. Киев, Изд-во ИК АН УССР, 1972, с. 80—84. Авт.; Л. С. Палатник, В. К. Сорокин, Л. М. Гор­ бенко и др.

67. И сследование свариваемости электронным лучом сталей больших толщин, применяемых в энергомашиностроении. Труды МЭИ, вып. 130. Производство оборудования для тепловых станций. 1972, с. 3—8. Авт.: Н. А. Ольшанский, А. П. Лопатко, Г. А. Чернаков и др.

68. Кабанов A. H .t Вольфсон Л . Ю. Применение электронного пучка для обработки материалов. — «Физико-технологические вопросы кибернетики»,

1968, № 3, с. 3.

69. Кабанов А. Н ., Кафафов А. А ., М ихайловский С. А. Электронно-луче­ вая установка типа ЭЛУРО для прецизионной сварки, пайки и размерной обра­

ботки. — «Автоматическая сварка», 1967, № 3, с. 72—73.

70. Кабанов А . Н ., Чернова-Столярова Е. Е. Исследование процессов, воз­ никающих при воздействии интенсивного электронного пучка на жидкость. — «Физика и химия обработки материалов», 1971, № 6, с. 97—98.

71. Кандалов А. А ., Назаренко О. К- Особенности движения металла у фронта

плавления при электронно-лучевой сварке. — «Автоматическая сварка», 1974, № 12, с. 60—61.

72. Касаткин Б. С., Ковбасенко С. Н., Ж ивага Л . И. Исследование элек­ тронно-лучевой сварки роторных сталей. — «Сварка электронным лучом» (ма­ териалы конференции). М., МДНТП, 1974, с. 147—152.

ской системы, применяемой в установках для электронно лучевой сварки. Элек­ тронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ, 1970, вып. 1, с. 103—109.

77. К зависимости характера теплового воздействия от параметров электрон­ ного луча. — «Физика и химия обработки материалов», 1974, № 6, с. 17—20. Авт.: Г. Е. Горелик, А. С. Лерман, Н. В. Павлюкевич идр.

78. Кириллов В. М ., Уляков А. И. Соотношение жидкой и газообразной фаз при воздействии сфокусированного излучения ОКГ на металлы. — «Физика и химия обработки материалов», 1971, № 1, с. 8—12.

79. Клебанов Г. Н ., Троянов И. М ., Углов А. А . Термические циклы при проплавлении молибденовы х пластин электронным лучом. — «Сварочное произ­ водство», 1970, № 10, с. 1—2.

230