книги / Электронно-лучевая сварка и смежные технологии

С целью определения достаточности значений полученных отно­ шений сигнал/шум для обеспечения качественного изображения сравним их с предельным значением отношения сигнал/шум на входе видеотракта, рассчитанным исходя из предполагаемого ко­ эффициента шума на входе видеотракта и предельной чувстви­ тельности, принятой в телевидении (здесь под чувствительностью, ограниченной шумами, принята амплитуда сигнала изображения на входе видеотракта, при которой отношение номинального на­ пряжения сигнала к действующему напряжению шумов на моду­ лирующем электроде равно 20 дБ). Выражение для коэффициен­ та ш ума какого-либо устройства имеет вид

где Рс квадрат отношения «сигнал/шум» по напряжению на” входе, обо­

значим его п^х , а и* ВЫ)/ и ^ вых— величина, обратная квадрату от­ ношения сигнал/шум на выходе, которую обозначим как 1/пвых.

Выражение (137) запишем как N=nBX/n Bbw, откуда

Подставив в формулу (138) значение N=4...5 (общепринятое зна­ чение коэффициента шума линейной части телевизионных прием­

дельного отношения сигнал/шум на входе видеотракта с расчет­

ными позволяет считать их достаточными для получения изобра­ жения хорошего качества в обоих случаях.

Следует отметить, что для уменьшения помех, имеющих часто­ ту сети или кратную ей, полосу пропускания видеотракта нужно ограничивать снизу. Это не приведет к заметной потере информа­ ции, так как сигнал от стыка и сварного шва сосредоточен в обла­ сти более высоких частот. С целью повышения помехоустойчивос­ ти целесообразно применять вторую линию, которая образует ви­ тую пару с сигнальной и нагружена на обоих концах такими же нагрузками, как и сигнальная, но подключена к инвертирующему входу. Для предотвращения самовозбуждения видеоусилителя изза большого коэффициента усиления (>50-103) необходимо приме­ нять развязки в цепях питания и экранировку входных каскадов.

Слежение за стыком. Распознавание произвольного криволи­ нейного свариваемого стыка и управление положением электрон­ ного пучка по отношению к этому стыку является довольно сложной

задачей. Ее можно решить, используя методы полукруговой и те­ левизионной разверток с применением их математического ана­ лиза [19]. При этом произвольный криволинейный свариваемый стык (рис. 40) может быть замкнутым или разомкнутым.

Полукруговая развертка — это совокупность импульсов элек­ тронного пучка, который падает в точки полукруга за время Т с некоторым шагом. При этом компьютер выдает точные значения величины отклонения электронного пучка по осям OY и ОХ.

Эти величины определяют синусоидальные и косинусоидаль­ ные токи, которые задаются компьютером через цифровой анало­ говый преобразователь. На каждом шаге сканирования с доста­ точной точностью определяется градиент движения электронного пучка, и в зависимости от его значения осуществляется сканиро­ вание правым, левым, верхним или нижним полукругом. Во вре­ мя сварки трижды в секунду на 3 -5 мс снижается ток электронно­ го пучка и выполняется сканирование пучком малого тока впере­ ди, в направлении градиента движения, соответствующей полу­ круговой разверткой для определения этого градиента на новом этапе сварки, а также сканирования назад противоположной раз­ верткой, которую используют при уходе электронного пучка со сты­ ка. Реализация данного метода стала возможной благодаря появ­ лению быстродействующих (на частоте от 1 МГц) цифровых анало­ говых преобразователей.

Хотя полукруговая развертка довольно результативная, одна­ ко для оператора более удобна телевизионная развертка, так как в этом случае он имеет воз­ можность видеть картинку реального стыка на монито­

ре компьютера. Телевизионная развертка

(рис. 41) позволяет обозре­ вать участок поверхности сварного стыка и прилегаю ­ щих к нему поверхностей сварных деталей, которые бомбардирует электронный пучок. Такое изображение формируется на выходе пла­ ты адаптера ка к результат анализа усиленного и стаби­ лизированного вторичного

позволяет установить значимость или случайность отклонения зна­ чений элементов выборок от нормального распределения.

Использование этого критерия дает возможность автоматичес­ ки надежно и достоверно распознавать капли металла на свари­ ваемом стыке и находить его окончание. В конце анализа телеви­ зионной развертки проводят вычисления величины, на которую сле­ дует переместить электронную пушку или отклонить электронный пучок. Следующую развертку строят в зависимости оттого, на ка ­ кой стороне предыдущей закончился стык. Если, например, стык закончился на верхней стороне, тогда середина нижней стороны новой телевизионной развертки должна совпадать с последней най­ денной точкой стыка предыдущей развертки.

Готовясь к процессу сварки, целесообразно провести операцию обучения— найти точки свариваемого стыка. В ходе сварки трижды в секунду электронным пучком малой мощности сканируются и опреде­ ляются точки стыка. Находится непрерывная подпоследовательность найденной на этапе обучения последовательности точек свариваемо­ го стыка. При этом исходят из условия минимальной абсолютной вели­ чины отклонения дисперсий абсцисс и ординат точек найденной под­ последовательности и точек стыка, определенных из развертки, кото­ рую получили при сканировании. Тогда отклонения от стыка являются разницей математических ожиданий этих последовательностей точек. Если центртелевизионной развертки жестко связан с положением элек­ тронной пушки, то величину отклонения от стыка определяют по удале­ нию центра развертки отточек стыка, найденных во время сканирова­ ния. Коррекцией движения электронной пушки или отклонения пучка электронов последний возвращается в область свариваемого стыка.

Во время сварки важно, чтобы глубина проплавления была по­ стоянной. Для этого необходимо обеспечить неизменность рассто­ яния электронной пушки до поверхности свариваемого изделия. В случае произвольного пространственного свариваемого стыка не­ обходимо перемещать электронную пушку по оси OZ. Если раз­ местить еще два датчика в плоскостях XOZ и YOZ, то получатся еще две телевизионные развертки, которые дадут изображения стыка в двух вертикальных координатных плоскостях. Применив к образованным таким способом разверткам изложенный выше алгоритм распознавания точек свариваемого стыка, получают три проекции. По ним осуществляют численное восстановление про­ странственного произвольного криволинейного свариваемого сты­ ка и определяют перемещение электронной пушки по оси OZ с точностью до одного пиксела.

Описанная методика дает возможность обходиться без оптико­ электронных измерительных устройств и избегать многих проблем, связанных с напылением металлом поверхности оптических зеркал и светоизлучателей, а также с фильтрацией световых помех, кото­ рые создает в процессе сварки светящаяся сварочная ванна.

Система слежения «Растр-4» [53], разработанная в ИЭС им. Е. О. Патона, позволяет работать в режиме реального вре­ мени, когда в процессе сварки электронный пучок каждые 330 мс переводится в режим зондирования (пучок с силой тока пример­ но 5 мА фокусируется на поверхности изделия) и сканирует в те­ чение около 3 мс в кадре площадью 60x60 мм, центром которо­ го является сварочная ванна. Такое кратковременное прерыва­ ние сварочного процесса не приводит к дефектам в металле шва. Отраженные от поверхности изделия вторичные электроны несут информацию о рельефе сканируемого кадра. С их помощью фор­ мируется дискретизированное в виде мелкой точечной структуры телевизионное изображение сварного шва, ванны и стыка кромок, подлежащих сварке. На каждую из 128 строк приходится 128 то­ чек дискретизации, поэтому единичным элементом информацион­ ного поля является точка размером 0,5x0,5 мм. Линия стыка апп­ роксимируется затем не менее чем по 20-30 строкам, вычисляет­ ся рассогласование между линией стыка и положением электрон­ ного пучка и выдается пропорциональный импульсный сигнал ошибки длительностью 330 мс.

Пучок электронов совмещать с линией стыка можно с помо­ щью одной или двух электромагнитных отклоняющих систем, а так­ ж е путем относительного смещения изделия и электронной пуш­ ки. В случае одной отклоняющей системы имеет место угловое отклонение электронного пучка, опасное для глубоких швов из-за ухода пучка от стыка в его корневой части. Двойная отклоняющая система позволяет смещать электронный пучок поступательно, но на 200-250 мм увеличивается длина пушки и соответственно воз­ растают поперечные размеры пучка. Поэтому, особенно в свароч­ ных установках с двух - или трехкоординатными манипуляторами, относительное следящее перемещение изделия или электронной пуш ки оказывается весьма эффективным, хотя динамические и точностные характеристики данной следящей системы уступа­ ют таковым в случае электромагнитного управления положением пучка.

Применение следящей системы является обязательным в ос­ новном при существенных термических деформациях изделия

в процессе сварки, когда предварительное обучение системы сва­ рочного перемещения уже не обеспечивает точного совмещения пучка электронов с линией стыка в процессе сварки. На практике при сварке продольных и кольцевых швов оказывается заведомо достаточной возможность системы отслеживать криволинейность около 1 мм на 100 мм длины шва. При сварке швов с большой криволинейностью коммутируются катушки отклоняющей систе­ мы с тем, чтобы строки изображения были примерно ортогональ­ ны направлению сварочного перемещения.

Рассмотрим характеристики следящей системы «Растр-4» в варианте применения электромеханического привода на крупно­ габаритной сварочной установке. Сварочная электронная пушка Э ЛА -30 перемещается с помощью трехкоординатного манипуля­ тора в пределах вакуумной камеры 2000x2000x4000 мм. Манипу­ лятор снабжен тремя сервоприводами с асинхронными электро­ двигателями и инверторными преобразователями частоты пере­ менного тока 0,5-400 Гц. Мощность электродвигателя координа­ ты X составляет 0,75 кВт, редукция — 20, шаг винтовой пары 10 мм; мощность электродвигателя координаты У — 0,55 кВт, редукция — 10, шаг винтовой пары — 5 мм; мощность электродвигателя коор­ динаты Z — 0,75 кВт, редукция — 56, шаг винтовой пары — 5 мм. Позиционирование сварочной пушки в заданных точках пути осу­ ществляют по дискретным сигналам путевых датчиков на основе импульсных преобразователей угловых перемещений ВЕ-178.

Синхронизацию сварочных перемещений по любой из трех ко ­ ординат и соответствующего следящего поперечного перемеще­ ния производят с помощью персонального компьютера через трех­ координатную плату число-импульсного управления с дискретной формой задания управляющего воздействия, внутренней интер­ поляцией и пропорционально-дифференциальным регулятором.

Общая масса перемещаемой вдоль координаты X конструкции манипулятора сварочной пушки составляет 1000 кг, вдоль У — 200 кг, вдоль Z — 300 кг. Благодаря применению линейных под­ шипников качения, шариковинтовых пар и прецизионных направ­ ляющих значение люфтов в сопрягаемых узлах не превыш ает 10-20 мкм .

Продолжительность установления заданной скорости переме­ щения координаты У составляет примерно 200 мс. Для координа­ ты X этот промежуток времени равен 500 мс, для Z — около 400 мс. Указанные значения времени достаточно малы, что позволяет в течение одного импульса ошибки реализовать оптимальный алго­

ритм отработки сигнала ошибки: разгон-торможение-остановка. Достигаемое при этом значение следящего перемещения, напри­ мер 1 мм по оси X, в 10 раз превышает реально необходимое.

Управляющий электроприводом сигнал формируется в виде, близком к треугольному. Его амплитуда в такт работы схемы чис­ ло-импульсного управления дискретно (2-6 ступеньки) нараста­ ет, а затем уменьшается, чтобы обеспечить плавный разгон-тор­ можение следящего электропривода, предотвратить срабатыва­ ние максимальной защиты в моменттрогания и автоколебания при остановке. Задержка длительностью до 100 мс начала отработки приводом управляющего сигнала объясняется не только инерци­ онностью механизмов, но и влиянием установленного регулируе­ мого порога (6-10% от максимальной скорости) трогания приво­ да, что сделано также для подавления механической раскачки сле­ дящей системы. Приведенный момент инерции механизмов дос­ таточно мал и потому процессы перерегулирования подавляются.

Оптимальные режимы работы следящей системы следующие:

■ввиду импульсного характера сигнала ошибки и существен­ ной задержки управляющего сигнала в тракте его формиро­ вания осуществляется импульсная отработка ошибки, ана­ логично следящим системам с релейным управлением;

■с целью максимального снижения динамических нагру­ зок в достаточно тяжелых механизмах манипулятора, пре­ дотвращения механической раскачки следящей системы реализуется принцип недотягивания, когда пушка за время импульса отработки только подходит к линии стыка, но не переходит через эту линию. В таком режиме работы доброт­

ность следящей системы, (отношение скорости вращения оси отработки к динамической погрешности) составляет

15с "1;

■ширина зоны нечувствительности следящей системы с це­ лью устранения автоколебаний не менее 0,07 мм;

■усредненная за один такт скорость отработки сигнала ошиб­ ки не превышает 0,2-0,3 мм/с.

При оптимальных режимах работы системы слежения «Растр-4» неточность совмещения проваров с линией стыка типа «змейка» с кривизной 3,5/100 мм не превышает ±0,1 мм.

Сварка труб с трубными досками. Для полной автоматизации процесса сварки узлов теплообменных аппаратов созданы систе­ мы программного управления типа СУ217 [43]. В этих системах

коррекция положения электронного пучка относительно кольце­ вого стыка выполняется автоматически. Системы обеспечивают поиск центра кольцевого стыка, коррекцию программы позицио­ нирования путем точного совмещения электронного пучка с коль­ цевыми стыками, круговую и локальную развертку электронного пучка по периметру кольцевого стыка, программирование цикла сварки, включая участки начала-окончания сварного шва. Алго­

ритм работы подобной систе­ мы показан на рис. 42.

Контроль положения сере­ дины «скрытого» стыка. Изго­ товление закрытых сварны х конструкций судо - и авиастро­ ения сопряжено с решением задачи определения положения середины «скрытого» стыка. При сварке тавровых соедине­ ний со стороны листа необходи­ мо контролировать положение оси ребра, находящегося под листом. Стык между листом и ребром, невидимым со сторо­ ны листа, и называют «скры­ тым» стыком. Для контроля по­ ложения середины «скрытого» стыка на немагнитных матери­

прибора основана на сочетании цифрового интегрирующего ме­ тода измерения с токовихре­ вым методом контроля. Для этого используется дифферен­ циальный токовихревой преоб­ разователь (ТВП) накладного типа (рис. 44), собранный на Ш - образном магнитопроводе из ферромагнитного материала. Преобразователь (датчик) име­ ет три обмотки, причем питаю­ щая обмотка расположена на

Для контроля положения оси невидимой контактной площадки в сотовой конструкции из нержавеющей стали, титановых алюми­ ниевых и медных сплавов (рис. 45), подлежащей сварке, создана система контроля «Стык-3».

Система состоит из токовихревого датчика контактного типа, первичного преобразователя сигнала и персонального компьюте­ ра. Результаты измерений непрерывно отображаются на экране дисплея. Система может быть использована в роботизированных сварочных комплексах или в режиме ручного поиска и разметки.

Техническаяхарактеристика системы «Стык-3»:

Контроль параметров электронного пучка и сварочной пушки

Поскольку геометрические и энергетические параметры сва­ рочного электронного пучка оказывают существенное влияние на форму проплавления, то их расчет, анализ и контроль представляет собой важную научно-техническую задачу.

Изменение геометрии электронного пучка при регулировании его тока. Расчет геометрии электронного пучка удобно выполнять численно-аналитическим методом. Пространство формирования электронного пучка при этом разбивают на три области: ка тод - кроссовер пучка (область I), кроссовер пучка — середина фокуси-

1J т в п

!=: i=

Р и с . 4 4 . Ф у н к ц и о н а л ь н а я с х е м а п р и б о р а « С т ы к - 1 »