2794.Электронно-лучевая сварка

При графической визуализации предусмотрена возможность последовательного выбора указателя качества в случае задержки графического изображения.

В данной экспертной системе существует возможность актуализации экспериментальных данных и актуализации регрессионных моделей в соответствии с полученными экспериментальными данными. Это выполняется нажатием указателя «Обновление базы данных», что вызывает открытие соответствующей панели.

При выборе указателя «Сталь 45» на первоначальной панели системы открывается новый экран (см. рис. 2.98, б), дающий возможность проводить исследования и оптимизацию процессов ЭЛС стали 45. В этом случае система имеет следующие возможности:

–получение данных для геометрических характеристик поперечного сечения сварного шва и зоны термического влияния при заданных параметрах режима сварки;

–ввод ограничений для верхней и нижней границ для глубины проплавления и ширины сварного шва или зоны термического влияния;

–задание оптимизационного критерия: отношение глубины сварного шва к ширине зоны термического влияния, минимизация отношения средней ширины шва к ширине зоны термического влияния, минимизация средней ширины шва или всех критериев одновременно;

–получение оптимального решения при выполнении заданных ограничений и критериев оптимизации. Представление оптимального решения в численном и графическом виде (в виде контурной диаграммы по заданным заранее двум параметрам режима);

–нажатием указателя «Построить» визуализация контурной диаграммы с измененным значением одной координатной оси или двух неоптимальных параметров.

291

При использовании тепловой модели нагрева образцов подвижным линейным источником тепла можно точно прогнозировать процесс для случаев ЭЛС тонких деталей и с определенными приближениями – сварку толстостенных образцов. Для последних принимается неизвестная глубина шва (при неполном проплавлении металла) или ширина шва и доля уходящей мощности электронного пучка сквозь отверстие с обратной стороны свариваемой детали, и рассчитываемая геометрическая характеристика шва оценивается приблизительно. Точный расчет характеристик ЭЛС поперечных сечений швов возможен на основе статистических моделей, полученных предварительно для конкретной сварочной установки и материала.

Разработаны и применены при ЭЛС нержавеющей и углеродистой конструкционной сталей для двух электронно-лучевых сварочных установок и трех групп экспериментов методы статистического анализа экспериментальных данных, оценка регрессионных и базированных на обученной искусственной нейронной сети моделей и подходов для оптимизации процесса ЭЛС. Примененная методология многофакторного регрессионного анализа использована не только для оценки зависимостей глубины и ширины поперечного сечения шва, но и для оценки зависимости термической эффективности процесса ЭЛС глубоко проникающим электронным пучком от параметров процесса и характеристик свариваемого материала. В полученных моделях используются: величина мощности электронного пучка P (кВт), скорость сварки v (см/мин), положение фокуса пучка ∆Z (мм) или расстояние от электронной пушки до плоскости фокуса пучка Z0 (мм) и до поверхности металла Zs (мм). Представлены оптимизационные критерии и процедуры для получения заданных и оптимальных параметров сварного шва. Как критерий для параметрической оптимизации может быть использована функция желательности при заданных требованиях для более чем одного показателя качества – значения глубины, ширины и/или термической эффективности. Для повышения качества процесса

292

сварки (в смысле снижения отклонения параметров сварного шва от заданных значений) в производственных условиях предложен модельный подход. Для этой цели проведена оценка двух моделей для каждого показателя качества: модель средней величины и модель дисперсии глубины и ширины шва, рассчитанных для условий массового производства. В этом случае улучшение качества достигается решением оптимизационной задачи, при которой минимизируется дисперсия параметров шва. В результате полученные сварные швы имеют точно определенные параметры и отклонение от них в производственных условиях является минимальным, т.е. обеспечивается высокое качество сварных швов.

2.6. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛС

Сущность ЭЛС заключается в использовании кинетической энергии пучка ускоренных электронов для локального нагрева свариваемых деталей в области их соединения до температур, превышающих температуру плавления (рис. 2.99).

Принципиальная схема установки для ЭЛС показана на рис. 2.100.

Рис. 2.99. Электронно-лучевая сварка

293

качку вакуума, а также содержит необходимые вентили, трубопроводы и измерительную аппаратуру. Кроме того, в этой установке предусмотрена дифференциальная откачка электронной

Существуют установки ЭЛС для сварки при атмосферном давлении, в которых вывод электронного пучка в атмосферу осуществляется путем прохождения пучка через систему буферных объемов, откачиваемых отдельно и имеющих диафрагмы в области прохождения пучка. Есть сведения об использовании плазменного окна для вывода электронного пучка в атмосферу [6], но это техническое решение пока не нашло промышленного применения.

Электронная пушка 6 соединена с помощью высоковольтного кабеля с источником питания 1, содержащим мощный высоковольтный стабилизированный источник ускоряющего напряжения и стабилизированные источники для питания накала катода и управления током электронного пучка. Установка содержит также источники питания и электронные устройства для управления фокусировкой и отклонением электронного пучка в электронной пушке 7 и систему управления электроприводом манипулятора 8. В большинстве установок имеется оптическая, телевизионная или электронно-сканирующая система 5 для наблюдения за процессом ЭЛС. Типичные масштабы увеличения – от 3 до 10 раз, реже – до 20 раз. Для предотвращения быстрого загрязнения металлическими парами оптических элементов или наблюдательных окон обычно предусматриваются соответствующие защитные приспособления. Управление процессом сварки и вспомогательными операциями осуществляется пультом управления 9.

Первые установки ЭЛС построены Стором во Франции и Штайгервальдом в Германии в 1954–1956 годах. В следующие 5 лет проектируют и создают установки для ЭЛС Н. Ольшан-

295

ский (Россия), Б. Патон и О. Назаренко (Украина), В. Дитрих (Германия). В Польше пионерами являются К. Фридел и Я. Фелба (Вроцлав) и В. Барвиц и С. Войчицки (Варшава). В Болгарии

вИнституте электроники Болгарской академии наук первая установка для ЭЛС была создана под руководством Г. Младенова в 1973–1974 годах (рис. 2.101), и первой технологией ЭЛС, внедренной в болгарскую промышленость, тогда была сварка датчика угловой скорости для ракетной техники (рис. 2.102). Во время экспериментов при разработке этой технологии был создан метод расчета режимов ЭЛС тонких пластин. На рис. 2.103 показан общий вид электронной пушки для сварки: 1 – вентиль; 2, 3 – электромагнитные системы фокусировки и отклонения пучка; 4– 7 – оптическая система наблюдения (4 – призма, 5 – окуляр, 6 – окно для подключения видеосистемы, 7 – объектив); 8 – анод; 9 – изолятор.

В1981 году в Институте электроники Болгарской академии наук создана электронно-лучевая установка ЕЛУ-1300 (рис. 2.104),

вкоторой внедрены 4 патентных изобретения.

296

На рис. 2.105–2.107 показано оборудование для ЭЛС, разработанное в Институте электросварки им. Е.О. Патона (Украина). Использование реактивной вакуумной лампы для защиты от пробоев в электронной пушке; трехфазные трансформаторы с двумя

297

высоковольтными обмотками, соединенными звездой и треугольником, что позволяет уменьшить пульсации в выпрямленном высоком напряжении, металло-керамическое соединение изолятора электронной пушки; катоды из LaB6, нагреваемые электронной бомбардировкой, – характерные особенности этих систем.

На рис. 2.108 приведена принципиальная схема высоковольтного источника питания (Ua = 60 кВ, I = 250 мА), разработанного в ИЭС им. Е.О. Патона. Обозначения на рисунке следующие: 1 – масляный бак для высоковольтного источника; 2 – пускорегулирующая аппаратура; 3 – быстродействующая динамическая защита электропитания при коротком замыкании

трансформатор электронной бомбардировки; 10 – трансформатор накала катода (эммитера тока бомбардировки); 11 – блок, задающий ток пучка. Связь 11 и 7 для осуществления гальванического разделения – оптоэлектронного или через высокочастотный трансформатор; 12 – магнитный усилитель для стабилизации накала эммитера (тока электронной бомбардировки) и напряжения бомбардировки; 13 – высоковольтный кабель; 14 – элек- тронно-оптическая система для сварки (электронная пушка);

рующих обмоток; 24 – блок управления тока фокусировки; 25 – блок управления реактивной электронной лампы; 26 – датчик тока пучка; 27 – реактивная электронная лампа, которая стабилизирует ускоряющее напряжение и ограничивает ток пучка, предохраняя электронную пушку от пробоев. Она управляется двумя каналами − стабилизирование ускоряющего напряжения сигналом с делителями 6 и ограничение тока через пушку −

298

от регулятора тока пучка 7, причем при аномально большом токе ускоряющее напряжение уменьшается до нуля за время 0,7 мс, после чего оно восстанавливается. Если пробои продолжаются, следует новый импульс с блока управления 25 и ускоряющее напряжение обращается в нуль. Процесс продолжается до прекращения пробоев; 28 – масляный бак блока реактивной лампы; 29 – высоковольтные обмотки силового трансформатора, соединенные по схеме звезда − треугольник для уменьшения реактивной составляющей (емкости) фильтра выпрямителя 5; 30 – низковольтная обмотка силового трансформатора.

Рис. 2.108. Электропитание установки ЭЛС

На рис. 2.109 представлена установка ЭЛС фирмы «ЛайболдХераус» (Германия) с параметрами 7,5 кВт, 60 кВ. На рис. 2.110 представлена схема электронной пушки этой установки, которую по основным компонентам можно считать актуальной для всех современных электронных пушек для сварки. Основные части электронной пушки: 1 – изолятор, защищенный от отложения металлических паров свариваемых деталей и снабженный масляным и водяным охлаждением; триодная электростатичес-

299

кая часть электронной пушки, которая формирует электронный луч, состоит из горячего вольфрамового ленточного V-образного катода 2 и управляющего электрода и водоохлаждаемого анода 3 (формы эмиттера, управляющего (фокусирующего) электрода и анода оптимизированы с помощью компьютерных симуляций; мощность пучка – до 7,5 кВт при максимуме ускоряющего напряжения 60 кВ); в водоохлаждаемый анод 3 встроена система, обеспечивающая совпадение электрической и геометрической осей электронной пушки; 4 – быстрый вакуумный вентиль – важный элемент, контролирующий производительность сварочной инсталяции; 5 – система наблюдения, дает возможность визуального наблюдения в месте воздействия луча на материал до, во время и после сварки; 6 и 7 – электромагнитные системы соответственно для фокусировки и отклонения луча; 8 – дифференциальная вакуумирующая система, обычно с турбомолекулярным насосом для безмасляной откачки остаточных газов в ускоряющей части пушки, что обеспечивает более длительную эксплуатацию катода.

300