автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Автоматизированные системы с повышенной эксплуатационной гибкостью для управления технологическими процессами электронно-лучевой сварки

научно-производственное объединение по технологии машиностроения цниитмаш

На правах рукописи

Для служебного пользования Зкз. N /О

Купан Юлий Григорьевич

Автоматизированные системы

с повышенной эксплуатационной гибкостью для управления технологическими процессами электронно-лучевой сварки

05.03. 06 -Технология и машины

сварочного производства 11 05.13. 07 -Автоматизация технологических

♦ процессов" и производств

(в том числе по отраслям)

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук в форме. научного доклада

Москва 1992

Работа выполнена в Институте электросварки им.Е.0.Патона

>

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук,-профессор ЯШОЛЬСКИЙ В.М.

- доктор технических наук, профессор ЗУЕВ И. В/

- - доктор технических наук, профессор БАДЬЯНОВ Б.Н.

Ведущее предприятие - ПО "Ленинградский металлический завод"

Зашита состоится " 1992г. в часо

на заседании специализированного совета Д 145.03.04 при нау но-производственном объединении по технологии машиностроен ЦНИИТМАШ по адресу: 109088, г. Мэсква, ул. Шарикоподшипниковская

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью, прос выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической би лиотеке НПО ЦНИИТМАШ.

Телефон для справок: 275-85-33.

Диссертация в форме доклада разослана " ¿ГгХсХ 191

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

А. Г. МАЗЕПА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Преимущество электронного пучка как источника нагрева обусловило широкое внедрение процессов электронно- лучевой сварки (ЭЛС) в различные отрасли промышленности. Возможность концентрации большой мощности в сочетании с локальным нагревом и высоким вакуумом в рабочем объеме способствует применению этой технологии для сварки любых комбинаций металлургически совместимых металлов и сплавов, включая тугоплавкие и химически активные. Усилиями специалистов ведущих научно-исследовательских институтов 11ЭС им. Е.О.Патона, ЦНИИТМАШа, НИАТа, НИИДа, НИКШГа, НШГМа, вузов страны МЭИ, ЛПИ, ПЛИ, МГТУ им. Н.Э.Баумана, а также других отраслевых НИИ и КБ заводов процесс ЭЛС занял одно из ведущих мест среди существующих методов сварки в энергетическом машиностроении, авиакосмической промышленности, химическом машиностроении, автотракторной промышленности, судовом машиностроении, электронной промышленности и т.д.

Дальнейшее внедрение технологии ЭЛС в различные отрасли промышленности непосредственно связано с созданием автоматизированных систем управления широкой функциональной направленности, позволяющих реализовать эффективные способы ЭЛС большой номенклатуры изделий новой техники. Если на начальном этапе достаточным условием ведения процесса ЭЛС являлась стабилизация основных технологических параметров, то в настоящее время более высокий уровень автоматизации обеспечивается замкнутыми системами управления, принцип работы которых базируется на физических параметрах взаимодействия электронного пучка с материалом изделия. При этом в качестве параметров управления могут быть использованы: вторичная электронная эмиссия, ионный ток плазмы, рентгеновское излучение, тепловое излучение в ИКГ области, ток сквозного проплавления и др. Использование указанных параметров включает сварочную ванну непосредственно в контур регулирования. Это позволяет управлять гидродинамическими процессами в канале проплавления, управлять геометрией шва, а также управлять положением пучка в'плоскости изделия.

Несмотря на достигнутые успехи, многие проблемы, связанные с разработкой автоматизированных систем управления, требуют своего решения. К таким проблемам следует отнести задачи управления геометрией шва и задачи управления положением пучка в плоскости изделия. Указанные задачи могут решаться программно-управляемыми, следящими, самонастраивающимися автоматическими системами, при

1

этом важным фактором является многоконтурность управления, т.^ объединение в одной системе как можно большего количества канале управления. Именно концепция многоконтурного управления позволь нарашлвать функциональные возможности систем управления и повь шать их эксплуатационную гибкость.

Для решения указанных задач автору оказалось необходим исследовать механизм взаимодействия ускоренного пучка электроне с металлами, выявить взаимосвязь физических параметров процесса качеством шва, разработать эффективные методы и системы управле ния геометрией шва, алгоритмы вторичноэмиссионных систем управле ния положением пучка в плоскости изделия, алгоритмы самонастраь ваюшихся систем, позволяющих самостоятельно оптимизировать парг " метры и структуру при наличии конструктивно-технологических во: мущений, реализовать концепцию многоконтурного управления nf промышленном производстве и внедрении автоматизированных систе управления процессом ЗЛС при создании изделий новой техники.

Указанные обстоятельства определяют актуальность данной р; боты. Приведенные исследования и выполненные разработки являютс составной частью обширной тематики, проводимой в ИЭС им. Е.О.Патс на по созданию высокоэффективных технологий и оборудования д; лучевых способов сварки. Актуальность проблемы обосновывается зг даниями Всесоюзной научно-технической программы 0.72.01 i 1985-1990 гг., утвержденной Постановлением ГЮТ и СМ ССС N 573/137 от 10.10.85г., а также заданиями целевых комплексы! программ и Постановлений Президиума АН УССР.

Теоретический- основой, которая предопределила успешное р< шение поставленной проблемы, и исходными данными для исследован! и разработок автора яеились труды советских ученых: s Бадьянова Б.Н., Баменко В.В., Бондарева А.А., Виноградова В.А. Гладкова Э. А., Зубченко А.С., Зуева И. В., Зыбко И.Ю., Кайдапс ва A.A., Киселевского Ф. Н., Ковбасенко С.Н., Ланкина Ю. Н., Ло! шина В.Е., Лескова Г.И., Миткевич Е.А., Назаренко O.K., Нестере! кова В.М., Ольшанского H.A., Рыжкова Ф.Н., Чвертко А.И., Черш ша В.П., Ямпольского В.М. и др.

Цель работы. Исследовать механизм взаимодействия ускоренно! пучка электронов с металлами, выявить физические закономерности взаимосвязь параметров с качеством шва, разработать на их ocHoi автоматизированные многофункциональные системы управления npouei ссм ЗЛС и внедрить их при производстве изделий новой техники. 2

Научная новизна.

1. Развит научный подход к изучению процесса ЗЛС как объекта управления с позиции единой электрогидродинамической системы. Предложена оптимальная структура комплекса технических средств, совокупность управляющих воздействий которых обеспечивает формирование качественных сварных соединений в условиях постоянно действующих конструктивно-технологических возмущений.

2. Установлены общие закономерности распределения плотности мощности в зоне термического воздействия при реализации способов сварки с локальной разверткой и двойным преломлением пучка. Определена взаимосвязь целенаправленного распределения плотности мощности с геометрией сварного шва. Предложен ряд новых способов ЭЛС с локальной разверткой пучка, позволяющих управлять геометрией шва и формировать качественные сварные соединения путем выбора оптимального распределения плотности мощности на поверхности изделия и по глубине канала проплавления.

3. Исследован механизм формирования вторичноэмиссионных сигналов на стыкуемых кромках, установлены основные закономерности в вариации параметров электронного пучка и конструктивных особенностей стыкуемых кромок, предложен метод инженерного расчета и разработаны программы численной реализации на ПЭВМ типа 1ВМ РС/АТ. Выявлены существенные отличия в формировании сигналов при считывания стыка и кромки. Установлено, что при считывании кромок вершина сигнала сдвигается относительно границы перехода на величину радиуса пучка. Указанный результат является определяющим в накоплении погрешности при наведении пучка на стык.

4. Предложены и практически реализованы структуры вторично-эмиссионных систем слежения и наведения пучка на стык. Впервые в отечественной практике реализован алгоритм наведения пучка на кольцевые стыки труб при производстве' теплообменников. Обосновано использование пучка сварочной пушки для визуализации поверхности изделия во вторичноэмиссионном спектре и предложен алгоритм схемной реализации.

5. Предложены алгоритмы самонастраивающихся автоматических систем, позволяющих самостоятельно оптимизировать параметры и структуру при наличии конструктивно-технологических возмущений. Показана возможность использования ионной составляющей тока и Ж излучения в системах экстремального регулирования. Разработаны принципиально новые структуры систем, осуществляющих саморегулирование частоты локальной развертки, саморегулирование распреде-

3

ления плотности мощности по глубине канала проплавления при двойном преломлении пучка, саморегулирование вкладываемой мощности н; участке замыкания шва, саморегулирование объема сварочной ванн! при сварке с присадкой.

6. Определена концепция многоконтурного управления Kai главного условия в достижении эксплуатационной гибкости автоматизированных систем в аспекте их промышленного производства и внедрения.

Практическая ценность работы. Результаты теоретических i экспериментальных исследований нашли свое практическое применение при разработке автоматизированных систем управления различно! функциональной направленности. Выпущено более 25 проектов автоматизированного оборудования и организовано его серийное производство. ,

Разработанные системы управления широко используются Kai при модернизации действующего, так и в составе нового оборудования для ЭЛС. Возможность взаимосвязанного регулирования несколькими технологическими операциями, а также возможность совмещена во времени управления отдельными параметрами процесса повышаю1: эксплуатационную гибкость автоматизированных систем. Повышение эксплуатационной гибкости способствует расширению функциональны: возможностей используемого оборудования, что обеспечивает существенную экономию трудозатрат при выпуске продукции как народногс потребления, так и продукции специального назначения.

Организация серийного производства и крупномасштабно^ внедрения в промышленность систем управления широкой номенклатур! обеспечило решение крупной народнохозяйственной задачи. В составе электронно-лучевого оборудования указанные системы эффективно используются при производстве деталей и компонентов аэрокосмическо! промышленности, в энергетическом машиностроении, судостроении, турбостроении, при производстве нефтехимического оборудования i т.д. В числе крупных предприятий, внедривших указанное оборудование и подтвердивших его эффективность: ПО "Ленинградский металлический завод"; ПО "Заря"; ПО "Калужский турбинный завод"; ПС ''Ижорский завод"; ПО "Машпроект"; ПО "Балтийский завод"; Хабаровский завод им. А.М.Горького, ФПО "Море" и др. На контрактной основе системы управления СУ229, СУ231, СУ220, СУ279 поставлены е ТЦ ЭПТТ НРБ (г. София).

Суммарный экономический эффект от внедрения выполненные разработок за 1980-1990 г.г. превысил 11 млн.руб. 4

Основные положения, выносимые на запрету:

1. Развитие научного подхода в изучении процесса ЭЛС как объекта управления с позиции единой электрогидродинамической системы.

2. Физические закономерности, отражающие взаимосвязь параметров с качеством сварного соединения и разработка на их основе новых способов ЭЛС и систем управления геометрией шва.

3. Механизм формирования вторичноэмиссионных сигналов в вариации параметров электронного пучка и конструктивных особенностей стыкуемых кромок с последующим использованием результатов при разработке вторичноэмиссионных систем слежения и наведения пучка как на прямолинейные, так и на кольцевые.стыки.

4. Принципы построения и алгоритмы работы самонастраиваю1 щихся автоматических систем с более высоким уровнем автоматизации, позволяющие самостоятельно оптимизировать параметры и структуру при наличии конструктивно-технологических возмущений.

5. Концепция многоконтурного управления как главное условие достижения эксплуатационной гибкости автоматизированных систем управления в аспекте их промышленного производства и внедрения.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 2 международных конференциях по электронно-лучевым технологиям ЭЛТ-88 и ЭЛТ-91 ( г.Варна, Болгария, 1988, 1991); на 8 всесоюзных конференциях по электронно-лучевой сварке ( Киев, 1971, 1975, 1980; Москва, 1978, 1983, 1986; Ленинград, 1988; Николаев, 1991); на 17 межведомственных научно-технических конференциях и семинарах ( Таллинн, 1971; Киев, 1975, 1976, 1980; Ленинград, 1976; Москва, 1976, 1987, 1988„ 1989; Чернигов, 1987; Николаев, 1987, 1989; Комсомольск-на -Амуре. 1987; Пермь, 1988; Харьков, 1988; Ижевск, 1989; Тула, 1989).

Работа обсуждалась на расширенном заседании НТС ОКТБ ИЭС им.Е.О. Патона, на заседании Научного семинара кафепры "Машины и автоматизация сварочных процессов" МГТУ им.Н.Э.Баумана и на заседании НТС отдела сварочного оборудования НПО ЦНИИТМАШ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 115 работ, в том числе 32 авторских свидетельства СССР, 20 информационных писем и рекламных проспектов. Выпущено 30 проектов сварочного оборудования. Основные разработки помещены в 7 частях каталога-справочника "Сварочное оборудование" 1972-1991 гг. 5

1.ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

Как объект управления процесс ЭЛС характеризуется совокупностью физических параметров, определяющих взаимодействие ускоренного пучка электронов с материалом изделия. Согласно теории автоматического регулирования и методике системного подхода, предложенной Э.А. Гладковым для дуговой сварки, процесс ЭЛС можно представить как единую электрогидродинамическую систему, в которой в качестве источника энергии выступает энергокомплекс, источником нагрева является электронный пучок, а приемником энергии является сварочная ванна. Конечным элементом системы является сварочная ванна, которая и служит объектом управления. Сварочная ванна как объект управления определяет геометрию шва (глубину и ширину Ы, которая является основным критериальным параметром качества сварного соединения. Обширный экспериментальный материал по корреляционному анализу качественных показателей шва с его геометрией показывает на их тесную взаимосвязь. При ЭЛС, как и при других способах сварки, форма шва во многом определяет работоспособность СЕарного соединения. В большинстве случаев предпочтение отдается узким швам с параллельными стенками. Такая форма характеризуется мелкозернистой структурой, равнопрочностью по глубине и гарантирует минимальные угловые деформации [10].

Управление процессом ЭЛС осуществляется комплексом технических средств (рис.1), совокупность управляющих воздействий которых направлена на формирование сварного шва. Комплекс технических средств включает в себя системы управления энергетическими параметрами процесса и системы управления положением пучка в плоскости изделия. К основным энергетическим параметрам относятся ускоряющее напряжение 11уск, ток пучка 1п,ток фокусировки 1Ф,плотность мощности Р(г),

Теуиические средства

XX 1| <Л)

< з

1§

Системы управления энергетическими параметрами пучка

Системы кпраьления

положением пучка в плоскости и1лелия

ЗИЛ!

и«ск.

I о -

I о

Ш>

Уса

Упр

Датчики контроля процесса ЭЛС

л

ВОЗМУЩАЮЩИЕ I {„'-1 ......-.....-

:о;дЕйствиа сбратмар саез

Объект управления

Рис. 1. Управление процессом ЭЛС

скорость сварки Уев, скорость подачи присадочной проволоки Упр.Положение пучка в плоскости изделия характеризуется текущими координатами ХШ, УШ. а также его ориентацией относительно стыка изделия. Если энерге-

тическими параметрами определяется критерий качества, т.е. геометрия шза , то точное наведение пучка на стык является не менее важным условием получения качественных сварных соединений.

На практике формирование сварного шва протекает в условиях постоянно действующих возмущений fs(t) и fn(t). Детерминированный и случайный характер возмущающих воздействий приводит к динамической нестабильности процесса, а следовательно и к интенсивному де-фектообразованию. Снизить влияние возмушаших воздействий на качество шва удается стабилизацией основных энергетических параметров til]. Однако, при таком традиционном подходе ряд возмущений, действующих непосредственно на сварочную ванну, остается вне контура управления. Более положительных результатов можно'достичь, используя замкнутые системы автоматического регулирования (САР). В этом случае сварочная ванна охватывается цепью отрицательной обратной связи. Среди замкнутых САР выделяются следящие и самонастраивающиеся (адаптивные) автоматические системы. Если функционирование следяшмх систем эффективно только в узком диапазоне априорно известных воздействий, то адаптивные системы способны самостоятельно оптимизировать свои характеристики, структуру в условиях постоянно действующих возмущений. В САР в качестве цепи обратной связи могут быть использованы физические явления, сопровождающие процесс ЭЛС. К таким явлениям относятся: вторичная электронная эмиссия, ионный ток плазмы, рентгеновское излучение, тепловое излучение в ИК области, ток сквозного проплавления и ток через деталь изделия.

Среди обших вопросов построения автоматизированных систем управления процессом ЭЛС на первый план выдвигаются следующее задачи:

1) проведение корреляционного анализа совокупности пространственно-энергетических параметров с качественным показателем сварного шва и разработка эффективных методов управления геометрией сварного соединения при ЭЛС металлов больших и средних толщин;

•2) исследование механизма формирования вторичноэмиссионных сигналов в вариации параметров электронного пучка и конструктивных особенностей стыкуемых кромок с последующим использованием результатов в системах слежения и наведения пучка как на прямолинейные, так и на кольцевые стыки;

3) разработка алгоритмов программно-управляемых, следящих и самонастраивающихся автоматических систем, позволяющих самостоятельно оптимизировать параметры и структуру при наличии конструк-

7

тиЕно-технологических возмущений;

4) аспект промышленного производства и внедрения автоматизирс ванных многофункциональных систем управления процессом ЗЛС пр создании изделий новой техники.

2. УПРАВЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИЕЙ ШВА

Как указывалось ранее, геометрия шва тесно взаимосвязана энергетическими параметрами процесса ЗЛС. Взаимосвязь геометри шва с энергетическими параметрами достаточно изучена специалиста ми. Наиболее полное обобщение по этой теме выполнено И.В.Зуевым В работах отмечается, что из совокупности энергетических парамет ров наибольшее влияние на геометрию зоны проплавления оказывае распределение плотности мощности в пятне нагрева.

Существует три основных споссйа регулирования плотност мощности: фокусировкой пучка; локальной разверткой пучка; локаль ной разверткой с двойным преломлением пучка. На начальной стади развития техники ЗЛС регулировка плотности мошяости осущестБля лась только фокусировкой пучка. Основным регулирующим параметро в этом случае является величина тока фокусировки 1ф. Затем был предложены более эффективные способы, позволяющие управлять расп ределением плотности мощности, используя локальную развертку двойное преломление пучка [8, 26]. Для этих способов регулируюши ми параметрами являются форма развертки и ее размеры, частота Г угол сходимости С для двойного преломления).

Эффективность использования указанных способов управлени плотностью мощности мо.тас оценить по условию [17]

Р(г,г)^Ркр, (1

где Р(г,г)-распределение плотности мощности по радиусу г и оси г а Ркр - критическая удельная мощность, по достижении которой на чинается кин;кальное проплавление (для стали Ркр - 1 10 Вт/см2).

Этим условием ограничиваются размеры активной зоны пучка, пределах которой сохраняется постоянство энергетического обмен на передней стенке канала проплавления по всей его глубине. Н практике размеры активной зоны пучка регулируются током пучка 1п током фокусировки 1ф и параметрами локальной развертки.

При сварке остросфокусированным пучком ( без локальной раз вертки ) распределение плотности мощности по сечению пучка Р(г соответствует закону Гаусса. В процессе работы регулировка плот ности мощности в пятне нагрева осуществляется током 1ф. Исследо Еания, проведенные различными авторами, показывают, что для каж 8

дого конкретного случая сварки имеется оптимальное значение 1ф, соответствующее максимальной глубине проплавления, при этом фокальное пятно располагают на некотором уровне от поверхности изделия. Установлено, что для данной технологии выбранные параметры управления процессом необходимо поддерживать с высокой точностью ( до 0,1% ). Только в этом случае можно гарантировать воспроизводимость геометрии шва. *

Более широкие возможности управления геометрией шва достигаются локальной разверткой. В этом случае пучку сварочной пушки задают локальные колебания в области стыкуемых кромок. Колебания пучка реализуются электромагнитной отклоняющей системой, при этом помимо колебаний вдоль или'поперек шва возможна развертка пучка по различным траекториям. Выбором траектории развертки определяется распределение плотности мощности в пятне нагрева. При использовании локальной развертки различают возможность управления распределением плотности мощности на поверхности изделия PCR,г) и управление распределением мощности по глубине канала проплавления PCR,2). Управление распределением плотности мощности на поверхности изделия реализуется системами локальной развертки с однократным преломлением пучка. В этом случае при периодических колебаниях пучка изменяется усредненное за период колебаний распределение плотности мощности источника нагрева. В настоящее время накоплен обширный экспериментальный материал по использованию локальной развертки для получения швов с оптимальной геометриейИСП При сварке металлов больших и средних толшин Сболее 40 мм) локальная развертка позволяет расширить диаметр канала проплавления, что благоприятно сказывается на стабильность формирования шва.

Управление распределением плотности мощности по глубине канала проплавления P(r,z) реализуется системами локальной развертки с двойным преломлением пучка. В этом случае сканирующий пучок преломляется на двух уровнях, образуя сходящуюся развертку (рис.2,а). Располагая точку сходимости развертки в середине толщины свариваемого металла, обес-

% "»QI у

Л / f\

-2

О

«/г

ности изделия ки и пучка)

Рис.2. Схема двойного ■ преломления сканирующего пучка (а) и распределение плотности мощности пучка (б);1-в фокальной плоскости; 2-на поверх-г радиус разверт-

печивают симметричное относительно средней плоскости изделия распределение плотности мощности пучка по глубине канала проплавле-ния (рис.2,б). В точке сходимости развертки плотность мощности максимальна. На верхней и нижней поверхностях изделия ее распределение имеет два выраженных максимума, которые располагаются симметрично оси канала проплавления [12].

Сравнение швов,выполненных с однократным и двойным преломлением пучка, по-^аэ ывает, что распределение при двойном преломлении позволяет снизить требования к стабильности токов 1п и 1ф, что особенно актуально при сварке сталей больших толшин, когда получение бездефектных швов Оптимальной геометрии становится более зависимым от вариации указанных параметров. Эксперименты показали (рис.3), что при однократном преломлении пучка допустимые пределы изменения 1п ограничены 350..450 мА. Коэффициент равномерности проплавления Кр=(Ь^/Ьоу при этой составляет 4..5. Двойное преломление пучка дает возможность обеспечить условия для формирования швов с параллельными стенками при изменении 1п в пределах 255..475 мА. При этом дефекты в шве

отсутствуют. Коэффициент Кр близок к 1.

«

3. ВТОРИЧНОЭМИССИОННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ Для получения качественных сварных соединений, наряду с другими требованиями, необходимым условием является точное совмещение пучка со стыком изделия. На современном этапе развития техники ЭЛС эта задача успешно решается вгоричноэмиссионными (ВЭ) системами управления. В системах этого типа обратная сеязь по положению пучка в плоскости изделия замыкается через поток вторичных (отраженных) электронов, возникающий в процессе сканирования пучком поверхности изделия. Применительно к технике ЭЛС использование ВЭ сигналов для контроля положения пучка относительно стыка изделия впервые было предложено в 1965 г. Л.П.Стрекалем, Д.А.Дуд-ко, О.К. Назаренко. • 10

1

7 ,

___' О—- Г*

¡¡о заз но то но /»..-л

У

\ с V

!>---

'ч нет ¿ете<с~.ов

1.

1 | Нет дефеыпиЬ' ; 1 ' * —

I

«50 /„, «а'

гис. о. Зависимость ширины шва Ь (а) и коэффициента равномерности проплавления Кр (б) от тока пучка: 1 - двукратное преломление пучка; 2 - однократное преломление; 1(11=320 мА, Кр=1 |щм, Усе^З п'/ч

«и

3.1. Преобразование вторичноэмиссонного потока в электрические сигналы

В системах управления первичное преобразование ВЭ потока в электрические сигналы осуществляется ВЭ датчиком. В простейшем варианте ВЭ датчик представляет собой кольцевой изолированный коллектор, который■ располагается в торце сварочной пушки.

С учетом косинусоидального распределения (рис.4,а) количество вторичных электронов, перехватываемых коллектором, определяется выражением

Nl<=Яj0(sLnzQ2-sín2в1), (2)

где з„- плотность ВЭ потока по нормали к поверхности; В, и 02- телесные углы, ограничивающие зону перехвата.

Так как для формирования ВЭ сигналов используется не весь ВЭ поток, а только его часть, то вводится понятие действующего коэффициента вторичной эмиссии Эс1-1к/1п , где 1к-ВЭ поток кол-

\лк/1?к=0

0,2 \ ! Уч\1

/ / 0,6 х" V Ч 1 I

/у о,а

1

¿/Як

Рис. 4. К преобразованию вторично-эмиссионного погока__в электрические сигналы

лектора; 1п- ток пучка сварочной пушки.

Установлено, что величина Эс! (при прочих равных условиях) зависит от геометрии коллектора №к, г ) и его расстояния до поверхности изделия 1.141. Лля кольцевого коллектора Нормированное значение 6с1 в вариации геометрических, параметров Як, тк, Ь равно _ 1___1

(3)

так

"(0 нъг

Анализируя приведенную зависимость можно сделать вывод, что СЮ принимает максимальное значение при выполнении соотношения Гк (рис. 4, б).

3.2. Анализ вторичноэмиссионных сигналов на стыкуемых кромках

В режиме считывания пучок сварочной пуши периодически сканирует область стыкуемых кромок. При этом с коллектора снимаются ВЭ сигналы, параметры которых определяются апертурой считывающего

11

пучка, гауссовым распределением плотности тока по его сечению 1 конструктивными особенностями стыкуемых кромок.

При считывании стыкуемых кромок в зависимости от конструктивных особенностей сварного соединения различают три основные случая формирования ВЭ сигналов:

1) формирование ВЭ сигналов при считывании зазора стык; (рис.5, а);

2) формирование ВЭ сигналов при наличии в сварном соединении одной кромки (рис.5,б);

3) формирование ВЭ сигналов при считывании двух кромог (рис.5,д). .

Считывание зазора характерно для сварных соединений всть: без подложки. Анализ взаимодействия апертуры пучка со стыкоь предполагает полное отсутствие вторичных электронов из зазора. ВС сигнал с элемента поверхности, занятой апертурой пучка определится выражением

'Полный ток сигнала в области стыка находят интегрирование» выражения (4) по всей площади Б , занятой апертурой пучка в пределах X, и Хг , соответствующих координатам считываемого зазор; (рис.5,б). В этом случае нормированное значение тока выходногс сигнала запишется выражением [23]

Результаты расчета ВЭ сигналов в вариации параметров Яп и г приведены на рис.5,в. Сигналы симметричны относительно 0сеЕ01 линии стыка, а амплитуда и форма существенно зависят от соотношения ширины зазора т и радиуса считывающего пучка Ип. При это» пучку с большей апертурой будет соответствовать меньшая амплитуд; полезного сигнала.

При счтпывании одной кромки, что характерно соединения внахлестку, по мере продвижения пучка по нижнему уровню в направлении границы перехода верхняя кромка частично затеняет коллекто; (рис.5,г). В результате образуется "тень", т.е. зона перекрытия .Из этого следует, что считывание одной кромки можно представить считыванием некоторого эквивалентного соединения, зазор I которого равен зоне Як перекрытия (рис.5,д). В отличие от реального соединения ВЭ поток в пределах эквивалентного зазора умень-

1Вь,х Л в^п^У _ X

I шах

тах 21 е^пйх^

Рис. 5. К формированию вторично-эмиссионных сигналов на стыкуемых кромках

шается до уровня 0,5. Исходя из распределения бсКх) в пределах зоны перекрытия нормированное значение тока выходного сигнала определится выражением

Гвых 1 1/гшх 4

-Ф

Rп/ \Rn ^ Rk

,2

a ï Jn-R'A . Rn

-ma

(6)

где Imax имеет смысл полного ВЭ тока вне зоны перекрытия.

Расчет ВЭ сигналов в вариации параметров Rn и Rk показывает (рис.5,г), что амплитуда полезного сигнала зависит от соотношения зоны перекрытия Rk и радиуса"" пучка Rn. С увеличением зоны Rk, что соответствует увеличению превышения кромок h, амплитуда полезного сигнала растет, приближаясь к уровню 0,5. Особо следует обратить внимание на форму ВЭ сигнала. Сигнал асимметричен. Независимо от амплитуды полезного сигнала его вершина сдвинута относительно границы перехода в сторону нижнего уровня на величину радиуса считывающего пучка Rn.

При считывании двух кромок, что характерно сварным соединениям с узкой разделкой, вылет вторичных электронов из разделки частично экранируется кромками сварного соединения (рис.5,ж). В этом случае форма выходного сигнала существенно зависит от угла перекрытия у, ограничивающего вылет вторичных электронов. Аналогично предыдущему случаю модуляция ВЭ потока осуществляется зонами перекрытия (рис.5,з), при этом возможны три условия формирования: 8г<у<л/2; О0^^.

Для каждого из приведенных условий выходной сигнал можно определить из выражения

IfiblX

-TjrVdMj. rfxdy+

fOO X3 ^

hJJ e"dfx)j0expf-^)rixri9 +

—x i _ fi

+ 00

hII G'dKb eKP(-JTfL)dxdy '

(?)

хз

где всИх) и 6Й(х) - распределения действующего коэффициента ВЭ по соответствующим зонам перекрытия.

Результаты численного интегрирования представлены графиками (рис.5, и). Независимо от условия формирования ВЭ сигналы симметричны относительно осевой линии сварного соединения. Для пер-14 ' ' ' '

б ого и второго условия, когда импульс имеет два максимума,

ксторые сдвинуты относительно кромок на величину радиуса пучка. С уменьшением X выходной сигнал увеличивается, при этом средняя область поднимается на более высокий уровень. Когда /¡< , выходной сигнал принимает трапециевидную форму, что объясняется пролетом вторичных электронов в отверстие коллектора.

Полученные аналитические выражения позволяют рассчитьзать параметры Еторичноэмиссионных сигналов на стыкуемых кромках. Кроме того они служат математическими моделями, при помощи которых можно анализировать сущность происходящих явлений в широкой гамме изменений параметров считывающего пучка и конструкций стыкуемых кромок.

Практическая полезность проведенного математического анализа появляется при использовании персональных компьютеров. Программы численной реализации аналитических выражений выполнены на ПЭВМ типа IBM PC/AT - 386/387. Тексты программ составлены на языке программирования Turbo Paskal U 6.0. Для выполнения каждой программы используется 35 - 55 Кбайт оперативной памяти. Программы функционируют в среде операционной системы MS DOS (версия 3,0 и выше ). Каждая программа вычисляет параметры ВЭ сигналов с разномерным шагом дискретности. Результаты расчетов в виде графиков выводятся на экран дисплея или документируются на принтере (рис.5,в,е,и).

3.3. Системы наведения пучка на стык В системах этого типа используется принцип вторичноэмисси-онного контроля положения пучка относительно стыка изделия С2]. Как правило, ВЭ контроль осуществляется оператором по взаимному расположению ВЭ сигнала на экране монитора. ,

Первое техническое решение (система "Рефлектрон"), позволяющее наводить пучок сварочной пушки на стык изделия перед сваркой, принадлежит фирме "Sciaki". Затем в нашей стране на различных этапах развития создавались системы типа "Прицел", "Прогноз", СУ143, СУ167, СУ220, СУ229 и др. На" рис. 6. приведена одна из модификаций систем наведения пучка на стык [29].

Сканирование пучка в области стыкуемых кромок задается сиг-чапами генератора 1. Синхронно с разверткой пучка осуществляется горизонтальная развертка луча монитора 2. Для компенсации фазовых :двигов, вносимых пролетным каналом, напряжение горизонтальной эазвертки коммутируется коммутатором 3 с временным интервалом Г/2, где Т - период развертки пучка. Импульс-отметка, соответст-

15

Рис."6. Система'наведения пучка"на стык: а-функциональная схема б-принцип формирования ВЭ сигналов

вуюший середине развертки, формируется детектором 4 и высвечивается на экране монитора в виде яркостной отметки.

В процессе работы на экране монитора высвечивается совмещенный ВЭ сигнал с импульсом-отметкой на вершине.

Отличительной особенностью системы является высокая точность наведения пучка на стык, что связано с формированием импульса-отметки центра локальной развертки пучка. Рассмотренно< техническое решение нашло свое применение при разработке авторо! систем управления СУ143, СУ220 и СУ229, которые широко используются в промышленности СЗ].

3.4. Системы слежения за стыком Исходя из теории автоматического регулирования по характер; изменения задающего воздействия системы этого типа относятся 1 классу следящих систем. Они представляют собой замкнутые систем] автоматического регулирования, у которых цепь обратной связи замыкается по ВЗ потоку. В процессе работы системы автоматичесга вырабатывают сигнал рассогласования, величина и знак которого соответствуют разности значений координат апертуры пучка и осево! линии стыка изделия. Анализ литературных источников указывает № многообразие технических решений ВЭ систем. Различают системы ( промежуточной памятью, у которых процесс сварки и процесс слежения разнесены во времени; системы с автоматическим слежением I процессе сварки, когда пучок периодически выводится из зоны сварочной' ванны для зондирования стыка в упрежденной точке; систем) с автоматическим слежнием в процессе сварки, когда для зондиро 16

вания стыка используется дополнительная маломощная пушка.

Независимо от типа метрологические характеристики указанных систем определяются выбранным алгоритмом совмещения. При этом возможно применение следующих методов выделения сигнала рассогласования: время-импульсный, фазо-импульсный, корреляционный и аналоговый. При аналоговом методе управляющие сигналы формируются путем запоминания мгновенных значений развертывающих напряжений в момент прихода ВЭ сигналов от стыка.

В системах, использующих данный алгоритм , предпочтение отдается круговой локальной развертке, а формирование управляющих сигналов осуществляется по двум пере-' сечениям локальной разверткой линии стыка (рис.7) [15].При формировании управляющих сигналов по двум пересечениям_ исходят из того, что отрезок стыка, заключенный между точками пересечения сканирующей окружностью, можно аппроксимировать хордой АВ. Если предположить, что ось У развертки совпадает с направлением перемещения изделия, суть совмещения сводится к

центрированию локальной раз' • ----- ■ • — * v-i.il-, ^«и-ли^ипл сала-'

вертки с линиеи стыка изделия логовым алгоритмом выделения ' ■ по оси X , т.е. центрирование ' сигнала рассогласования

можно рассматривать как смещение центра локальной развертки к середине хорды в точку С. Так как координаты середины хорды (точка С) вычисляются как полусумма координат ее концов, то вычисленная координата определяет величину сигнала рассогласования. Однако следует учитывать,что при отработке сигнала рассогласования центр развертки смешается в проекцию точки С на ось X. Избежать погрешности совмещения можно поворотом координатных осей на угол . В процессе работы поворот координатных осей и центрирование развертки необходимо производить одновременно.

Напряжения круговой локальной развертки формируются квадра-

17

Г5^

аоо.

|000|

Г

злу

УсоъыЬ

Ч хс=|(со5ы1:а+-соб£лв) А Кг -^(агсш^-агсте^)

1_At

х о

Тр

_________5__

7 Пмг'ФЛк/а ,.г> пли-лиио /ч аил-

турным генератором 1. В момент пересечения пучком стыка в цепи коллектора ЭЛУ возникают ВЭ сигналы (рис.7,в), которые через блок обработки 2 поступают на схему 3 измерения мгновенных значений развертывающих напряжений. Измерение мгновенных значений производится в моменты tA и t6 по приходу ВЭ сигналов, что соответствует координатам X и Y точек пересечения. Измеренные напряжения поступают на вычислитель 4 сигнала рассогласования А х и вычислитель 5 угла поворота Дй .

Аналоговый метод выделения сигнала рассогласования нашел свое практическое применение в системах слежения типа СУ220, у которых процесс сварки и процесс слежения разделены во времени. Он может быть успешно использован и в системах с-лежения непосредственно в процессе сварки, когда обеспечивается вынос пучка из сварочной ванны в упрежденную точку. По сравнению с системами время-импульсного преобразования системы с аналоговым алгоритмом работы позволяют формировать управляющие сигналы непосредственно в аналоговой форме без промежуточных преобразований, что определяет сравнительную простоту схемной реализации, а также высокую помехоустойчивость при наличии импульсных помех.

Помимо рассмотренного алгоритма работы автором обосновано использование пучка сварочной пушки для визуализации поверхности изделия во вторичноэмиссионном спектре и предложен алгоритм схемной реализации [7,33]. Предложен ряд технических решений по совмещению пучка с плоскостью стыка при сварке изделий больших тол-шин с остаточной намагниченностью [32], по отслеживанию криволинейных стыков с обеспечением равномерного тепловложения на всем протяжении шва [34], и т. д.

4. САМОНАСТРАИВАЮЩИЕСЯ АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Более, высокий уровень автоматизации процесса ЭЛС обеспечивается/использованием самонастраивающихся автоматических систем (САС) управления. Системы этого класса реализуют принцип адаптации, который позволяет оптимизировать процесс ЭЛС при наличии конструктивно-технологических возмущений.

Способ экстремального регулирования предполагает формирование управляющего воздействия в соответствии с экстремальной характеристикой объекта. Это нашло свое применение в системах управления с обратной связью по ионному току плазмы, истекающему из Парогазового канала. В работах Г.И.Лескова, В.Н.Нестеренко и др. показано, что переменная составляющая ионного тока взаимосвязана 18

с пульсациями давления пара в канале проплавления и коррелирует с гидродинамическими процессами, протекающими в сварочной ванне.

Применительно к способам ЭЛС с локальной разверткой пучка по переменной составляющей ионного тока можно не только контролировать наличие возмущений в канапе проплавления. но и активно влиять на гидродинамические процессы путем оптимизации параметров локальной развертки. Так как переменная составляющая ионного тока находится в функциональной зависимости от частоты локальной развертки ^НСГ) и носит экстремальный характер, то представляется возможным перейти от замкнутых систем с обратной связью к созданию самонастраивающихся систем, работающих по принципу экстремальных регуляторов с использованием в цепи обратной связи апостериорной информации о состоянии объекта регулирования.

Система, обеспечивающая саморегулирование частоты локальной развертки по ионному току плазмы, приведена на рис.8 [36]. Критерием качества работы системы является отслеживание экстремальной (минимальной) величины переменной составляющей ионного тока плазмы П. Стабилизация парогазового канала на всем протяжении

Рис. 8. Саморегулирование частоты локальной развертки: а-функциональная схема; б-временные диаграммы

сварного шва осуществляется автоматическим регулированием частоты сканирования пучка по ионному току плазмы, при этом регулирование частоты сканирования Г производится в соответствии с минимальной величиной переменной составляющей ионного тока^П, измеренной в процессе периодического свипирования частоты относительно ее текущего значения.

Основным узлом системы является управляемый генератор 8 локальной развертки (ГЛР). Начальная частота выходных сигналов ГЛР

19

устанавливается управлявшим напряжением Еп с учетом физико-металлургических свойств свариваемого металла. При этом следует учитывать, что экстремальная характеристика может иметь несколько выраженных экстремумов в диапазоне частот от 80 до 250 Гц и от 600 до 900 Гц.

Контур самонастройки содержит в своем составе генератор пилы 6, стандартную схему выборки-хранения 5 и импульсный анализатор 4, включенный в цепь обратной связи. Периодическое свипирова-ние (качание) частоты сканирующего пучка производится выходные напряжением генератора пилы б. По первому ходу пилы Т< в анализаторе определяется временной интервал Ti ,соответствующий моменту появления импульса ионного тока минимальной амплитуды, а пс второму ходу пилы Т2 производится преобразование временного интервала в управляющее напряжение.

Таким образом, на всем протяжении сварного шва автоматически поддерживается минимальный уровень составляющей ионного токг плазмы ~Ii-~Ii min. Это в равной степени относится к изделиям Kai-постоянного, так и переменного сечений.

Применение рассмотренных самонастраивавшихся систем особенно эффективно при сварке сталей мартеновской выплавки, которые характеризуются повышенным содержанием растворенных газов и неметаллических включений (нитридов, боридов, карбидов) по . направлению прокатки. Так, например, при сварке двух штампованных полукорыт из легированных сталей 10ХСНД или 15ХСНД в местах скоплени; включений образуются локальные паровые потоки, действие которы: на сварочную ванну существенно ослабляется благодаря автоматической коррекции частоты сканирования пучка.

При реализации способов ЭЛС с двойным преломлением пучка н; первый план выдвигается задача оптимального распределения плотности мощности по.глубине сварочной ванны Р(г,z). Так как распре деление Р(г,z) существенно зависит от положения точки сходимост развертки, то регулированием точки сходимости по глубине свароч ной ванны добиваются устойчивого формирования литой зоны шва. Ка указывалось ранее, область устойчивых гидродинамических процессо связала с минимальной величиной переменной составляющей ионног тока плазмы—И. Для случая двойного преломления пучка оптимально му заглублению h точки сходимости соответствует минимальная вели чина переменной составляющей ионного тока^Н.

В работах К.С.Акопянца показано, что точку сходимости раз вертки желательно располагать в нижней части сварочной ванны 20

фиксировать в этом положении. Однако, измерение возмущений в сварочной ванне по ионному току плазмы показало, что оптимальное положение точки сходимости не остается постоянным. В процессе работы оптимальное положение колеблется вдоль' оси 1. При этом зависимость ~-П-Г(Ь) носит экстремальный характер.

Саморегулирование плотности мощности можно выполнить экстремальной системой управления, которая позволяет автоматически устанавливать точку сходимости развертки и поддерживать ее на оптимальном уровне по глубине сварочной ванны (рис.9) [38]. Система содержит в своем составе канал формирования круговой сходящейся развертки и канал самонастройки. Сходящаяся развертка пучка формируется подачей в противогазе на' отклоняющие системы 2, 3 пушки квадратурных сигналов генератора И. Начальное положение точки сходимости определяется опорным напряжением Ео , величина которого выбирается из условия заглубления точки сходимости на величину 1/2 Н. где Н- толщина свариваемого металла.

. т)

Рис. 9. Саморегулирование плотности мощности по глубине сварочной ванны: а-функциональная схема; б-временные диаграммы

В процессе работы оптимальное положение точки сходимости устанавливается автоматически. Система отслеживает экстремальное (минимальное) значение~И при периодическом колебании точки сходимости вдоль оси 1. Колебание вдоль оси 1 осуществляется сигналами

21

Г( генератора 9. Так как точка сходимости периодически перемешается по глубине сварочной ванны, го это.приводит к модуляции переменной составляющей ионного тока плазмы в цепи коллектора 4(Га).Минимальное значение-"И фиксируется экстрематором 7, сигналы которого П( используются для формирования сигналов коррекции Е, в блоке 10.

Обратная связь по ионному току может быть эффективно использована для саморегулирования вкладываемой мощности. Особенно актуален этот вопрос на участке замыкания шва. Следящая система, обеспечивающая саморегулирование вкладываемой мощности" на участке замыкания шва приведена на рис.10 [31]. Система содержит два взаимосвязанных контура управления. Первый контур связан с управляющим электродом пушки и обеспечивает автоматическое регулирование вкладываемой мощности пропорционально амплитуде выбросов ионного тока плазмы. Второй контур охватывает отклоняющую систему и обеспечивает манипуляцию пучка в зоне термического воздействия.

А.

£

П П t

---Е„

1_____

Рис.10. Саморегулирование вкладываемой мощности: а - функциональная схема; б - временные диаграммы

Одновременно с автоматическим регулированием вкладываемой мощности система обеспечивает эффективное подавление возмущений, сопровождающих процесс ЭЛС. Подавление возмущений осуществляется во втором контуре управления перебросом пучка с траектории развертки на ось канала проплавления по каждому выбросу плазмы. С этой целью выход генератора 6 коммутируется импульсной последовательностью одновибратора 5 в момент появления экстремальных значений ионного тока. Перебрасывание пучка с траектории сканирова-22

ния на ось канала проплавления с одновременным снижением вкладываемой мощности обеспечивает ' саморегулирование процесса вывода кратера на участке замыкания дша.

Принцип экстремального регулирования может быть эффективно использован в системах управления процессом ЭЛС с присадочной проволокой ["4]. В известных разработках зарубежных фирм "Messer Grishclm", "Mitsubishi" и др. возмущения, связанные с переменным зазором в стыке, компенсируются скоростью подачи присадочной проволоки, при этом в качестве критериальных параметров выбирают ширину зазора или размеры усиления шва.

Выбор критериальных параметров управления по геометрическим признакам не в состоянии гарантировать устойчивое-, формирование сварных соединений. При решении поставленной задачи более рациональным является использование в качестве контролируемого параметра непосредственно объема расплавленного металла в сварочной ванне.

В предложенном техническом решении объем сварочной ванны оценивается по взаимному расположению пучка (точка Д), присадочной проволоки (точка В) и валика расплавленного металла (точка В) на задней стенке канала проплавления (рис.И,а). Съем информации осуществляется фотоэлектрическим датчиком (ФД) с пространственной и спектральной селекцией в области инфракрасного СИЮ излучения. (Разработка датчика выполнена И.М.Фроловым, МГТУ им. Н.Э.Баумана) . С выхода датчика снимают интегральный сигнал ИК излучения с тремя ярко Еыражен-ными экстремумами

(рис. 11, б), каждый из которых соответствует текущему пространственному положению пучка 1, при-

ЦиВ

п

/ V д

А

J

Рис.11. Саморегулирование объема сварочной ванны при ЭЛС с присадкой: а - схема процесса; б - характерный о,01 с,ог ооз I, мин сигнал датчика; в • функ-....-!________ циональная схема

садочной проволоки 2 и сварочной ванны 3. Система упр£2л?кия усредняет информацию от всех фотодиодов датчика ФД. На полученном интегральном фоне система выделяет экстремальные точки с максимальной спектральной плотностью излучения и регистрирует их взаимное положение. При переменном зазоре система автоматически регулирует объем расплавленного металла в сварочной ванне, обеспечивая постоянную выпуклость сварного шва на всем его протяжении. Это в значительной мере предотвращает появление несплошностей металла в литой зоне шва при сварке изделий больших и средних тол-шин.

Изложенный принцип управления нашел сЕое практическое применение в системе СУ295- При совместной работе с механизмом подачи присадочной проволоки Т280 [253 система позволяет успешно адаптироваться к конструктивно- технологическим возмущениям процесса ЭЛС с присадкой.

Принцип самообучения широко используется специалистами при разработке вторичноэмиссионных систем, предназначенных для автоматического совмещения пучка со стыком изделия. В системах этого типа осуществляется предварительная запись текущих координат стыка перед сваркой в промежуточную память, что обеспечивает запоминание первичной траектории взаимного перемещения пучка и изделия.

Техническая реализация принципа предварительного обучения нашла свое воплощение в системе автоматического слежения за стыт ком типа СУ220 (рис.12) [20]. В режиме записи используется сканирующий электронный пучок малой мощности.

За первый проход система самообучается и становится детерминированной для данной ситуации. В режиме СБарки система работает по отработанной программе. В этом ре-даме осуществляется считывание записанной информации. Сигналы рассогласования поступают на исполнительный орган, который совмещает пучок с линией стыка.

Следует отметить, что в режиме сварки система теряет свойства адаптации к возмож-

Рис. 12. Система слежения с межуточной памятью

про-

ным возмущениям, связанным с тепловыми деформациями. В этом режиме она работает как обычная система программного управления и позволяет эффективно решать задачи многопроходной сварки, сварки на участках замыкания шва, сварки с присадкой, сварки с локальной разверткой и колебаниями пучка.

Принцип самообучения использован автором и в системах следящего преобразования для контурной сварки мелкомодульных элементов. В таких системах в качестве промежуточной памяти применяется запоминающая электроннолучевая трубка СЗЗЛТ) С4]. Возможность визуального контроля процесса.записи и воспроизведения свариваемого контура, использование глубины потенциального рельефа мишени трубки для программирования режима сварки, а также идентичность управления лучом ЗЭЛТ и пучком сварочной пушки определяют сравнительную простоту данного технического решения.

Использование промежуточной памяти оказалось эффективно при визуализации поверхности изделия в процессе сварки Г 33]. В системах этого типа процесс сварки прерывается на время сканирования пучком поверхности изделия. Информация о рельефе поверхности, содержащаяся во ВЭ сигнале, после соответствующей обработки записывается в ОЗУ. После записи одного кадра пучок возвращается в сварочную ванну, а формирование изображения на экране монитора осуществляется в процессе многократного считывания информации из ОЗУ.

Принцип самоорганизации, т.е. автоматический поиск оптимальной структуры использован автором при разработке вычислителя блока совмещения в системе управления, автоматизирующей процесс ЭЛС труб с трубными досками деталей теплообменников. В системах этого типа для совмещений пучка е кольцевыми стыками используются вторичноэмиссионные (ВЭ) сигналы. В процессе работы при сканировании кольцевого стыка по координатным осям из последовательности ВЭ сигналов селектором вычислителя выделяются сигналы, соответствующие координатам диаметрально противоположных точек. При этом возможно выделение сигналов как от стыка, так и от внутренней кромки трубы.

Дальнейшая работа системы связана с использованием в вычислителе только одной пары ВЭ сигналов. В этой связи структура селектора должна обеспечить автоматический выбор сигналов от стыка или сигналов от внутренней кромки трубки. Выбор той или иной пары ВЭ сигналов зависит от следующих факторов.

Если за критерий качества выбрать точность совмещения, то

25

использование в вычислителе сигналов непосредственно от стыка является предпочтительным, так как гарантирует минимальную погрешность совмещения. Однако, возможные механические дефекты стыкуемых кромок могут привести к потере стыка, а, следовательно, и к сбоям Есей системы управления.

Сигналы от внутренней кромки трубки позволяют повысить надежность работы, что связано с устойчивым формированием ВЭ сигналов за счет высокого градиента действующего коэффициента вторичной эмиссии. Однако, существующие допуски на разностенность труб увеличивают погрешность совмещения.

Указанная трудность прогнозирования ситуации не позволяет заранее устанавливать наилучшую структуру селектора блока вычислителя. В этом случае положительных результатов южно достичь, используя переменную структуру, способную адаптироваться к конкретным условиям по каждому кольцевому стыку.

Переменная структура селектора блока вычислителя реализована в системе управления СУ217 [9]. В своем составе селектор (по каждой координате) содержит два канала (рис.13). По первому каналу осуществляется селекция ВЗ от стыка, а по второму - селекция

Хг *5 Хм ("^уГхб хГхг , II 11 1 м 1 М

1 а,

| | Ч.г - 7/а *

Из ='/г | И

|*г х3|

1Хб *71|Ч

|Я5=т/41 г

Х,цХг '511*6 t

1 1°6 П&Т 1

Па* Па. ?

Iх' | Х5,,крепка" 1

I хг | * 6 .стык" Ь

Рис. 13. Адаптация структуры селектора ВЭ сигналов: а - функциональная схема; б - временные диаграммы

сигналов от внутренней кромки трубки. Путем выполнения логических операций система самостоятельно выбирает одну из возможных струк-26

ур селектора, имекшш:-.''.: ь ее распора :с~нии. Если в результате логической обработки с..': .ствуют пропуски сигналов от стыка, то за-эйствуется первый к ..¡гм селектора и вычислитель работает по сты-у. Когда возникает неустойчивое формирование сигн.злов от стыка, электор автоматически меняет свою структуру, переключаясь на горой канал, обеспечивая тем самым работу Еычислнтеля от Енут-гнней кромки трубы.

Рассмотренный принцип самоорганизации структуры селектора лгналов позволяет существенно поеысить устойчивость работы сис-эмы управления СУ217 и сделать ее инвариантной при возможных де-гктах стыка.

5. ПРАКТИЧЕСКИЙ АСПЕКТ ПРОМЫШЛЕННОЙ РЕАЛИЗАЦИИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ Результаты проведенных теоретических и экспериментальных ¡следований нашли свое практическое применение при разработке зтоматизированных систем управления различной функциональной отравленности. В соответствии с общей тенденцией развития техни-1 ЭЛС выпущено более 25 проектов автоматизированного оборудова-1Я. В основу аспекта промышленной реализации такого оборудования ма положена концепция многоконтурного управления, которая предлагает объединение в одной системе как можно большего количест-1 каналов управления различными параметрами процесса ЭЛС. Такой щход позволяет постоянно наращивать функциональные возможности ютем управления и повышать их эксплуатационную гибкость.

Для формирования оптимального распределения плотности мощ-юти на поверхности свариваемого изделия разработан целый ряд ютем управления, позволяющих функционально или программно задать пучку сварочной пушки в зоне термического воздействия ло-дьные колебания различной формы и амплитуды [10]. Системы удаления, реализующие принцип локальной развертки, условно можно нести к системам программного управления. По мере постановки хнологических задач разрабатывались промышленные образцы систем па СУ165, СУ177, СУ201, СУ229 [8].

Из существующего разнообразия систем этого типа наибольшее спространение в промышленности получили системы СУ165 и СУ229. схема СУ229 (рис.14) наиболее полно отвечает требованиям элект-нно-лучевой технологии [31. При совместной работе с электрон-лучевым оборудованием она обеспечивает реализацию способов арки в вариации параметров локальных разверток пучка [28,35]:

27

сварку с колебанием пучка вдоль или поперек шва; сварку параллельных швов путем расщепления пучка; точное наведение пучка на стык изделия; контроль фокусировки пучка перед сваркой. В отличие от существующих аналогов в системе этого типа впервые на функциональном уровне объединены операции по сварке, по наведению пучка на стык, по контролю фокусировки1 пучка в плоскости изделия . Такой подход позволяет совместить выполнение указанных операций, что значительно расширяет функциональные возможности используемого оборудования и определяет его эксплуатационную гибкость.

Дальнейшее наращивание функциональных возможностей систем этого типа' связано с использованием микропроцессорных (МП) структур (система СУ267) [14]. В этом случае расширение функциональных возможностей достигается за счет программной реализации различных алгоритмов работы. При этом появляется возможность программировать не только траекторию развертки,. но и регулировать вкладываемую мощность по ее периметру [22]. ' , ;

При сварке металлов больших и средних толщин эффективность существующих способов ЗЛС с локальной разверткой можно повысить, используя двойное преломление сканирующего пучка С12].

С учетом перспективы использования деойного преломления в технике ЗЛС разработана базовая модель системы типа СУ259 (рис.15,а) [133. Система этого типа обеспечивает формирование управляющих сигналов для преломления пучка на двух уровнях. В процессе двойного преломления формируется сходящаяся развертка пучка, точка сходимости которой располагается по глубине сварочной 28

Функциональный генератор Бюн отклонение

/

^111111 шшшшшщ

¡шжтжт . , ______________ / ; ; • - / ; г>.

ШШШШ

;Г

[ШШШШ Рис.14. Система СУ229: а - структурная схема; б - типы локальных разверток

Еанны С25]. В промышленном варианте система СУ259 помимо формирования сходящейся развертки пучка, обеспечивает сварку с локальной разверткой и колебаниями пучка, термообработку околошовной зоны и сглаживание шва, а также обеспечивает точное наведение пучка на

Рис. 15. Система СУ259: а-структурная схема; б-секция РСВД; в-форма шва;

стык изделия. Система предусматривает возможность подключения внешнего управляющего устройства ПЭВМ. В этом случае ПЭВМ задает функцию локальной развертки и закон перемещения точки сходимости развертки по глубине сварочной Еанны. Использование системы СУ259 в составе электронно-лучевого оборудования гарантирует эффективное подавление корневых дефектов при ЭЛС швов с несквозным проп-лавлением, формирование швов с параллельными стенками при сквозном проплавлении (рис.15,6), качественное формирование лицевого и обратного валиков симметричного шва. устойчивое формирование и воспроизводимость геометрии сварных швов при нестабильности параметров пучка [113.

Автоматизация процесса ЭЛС труб с трубными досками осуществляется применением систем программного регулирования (СПР). Системы этого типа характеризуются наличием обратной связи по положению пучка относительно центра кольцевого стыка. В условиях действия случайных конструктивно-технологических возмущений, связанных с допуском на размеры межцентроаых расстояний отверстий в трубной- доске и погрешностями ориентации теплообменников в координатной плоскости, обратная связь позволяет оперативно корректировать программу позиционирования.

На начальном этапе развития были созданы промышленные образцы СПР типа 061709, СУ166,- СУ241, позволяющие вручную корректировать положение пучка относительно кольцевого стыка [3]. В этом варианте ВЭ обратная связь замыкается через оператора, который по изображению на экране монитора оценивает величину и знак

29

координатной погрешности и компенсирует ее С 51.

Полная автоматизация процесса достигается применением СПё типа СУ142 и СУ217 [8,26]. В отличие от предыдущих модификаций в системах этого типа коррекция пучка относительно кольцевого стыка

граммы позиционирования путем точного совмещения пучка с кольцевыми стыками; круговую и локальную развертку пучка по периметру кольцевого стыка; программирование цикла сварки каждого кольцевого стыка, включая участки ввод-вывод.

СПР типа СУ217 представляет собой сложный вычислительны!; комплекс (рис.16,б). Высокая надежность функционирования системь обеспечивается наличием блоков диагностики и тестирования, которые заложены непосредственно в ее структуру. При серийном производстве теплообменников система СУ217 позволяет поднять производительность сварки до 100-150 кольцевых стыков .в час.

Управление энергетическими параметрами пучка нашло свое практическое применение в системах управления СУ209, СУ231 I СУ279 [3]. Из приведенной номенклатуры наиболее широкими функциональными возможностями обладает система СУ279 [21], которая предназначена для управления энергокомплексами ЭЛС (рис.17). В сЕоел

"-'О о о

выполняется автоматически. Сигналы рассогласования формируются з процессе измерения координат диаметрально противоположных точен при сканировании кольцевого стыка пучков сварочной пушки. Е составе электронно-лучевых установок УЛ178, УЛ206, укомплектованных высоковольтные энергоблоком УЛ140, пушкой ПЛ102 и устройством числового программного управления (ЧПУ) НЗЗ-2М(рис.26,а) СПР обеспечивает: поиск центра кольцевогс стыка; коррекцию про-

составе система содержит контур регулирования тока пучка [373, контур регулирования тока фокусировки, контур программного управления током пучка, током фокусировки и шклом сварки. Помимо указанных параметров система обеспечивает позиционирование сварочной пушки или из-

делия- по двум координатам, точное наведение пучка на стык перед сваркой, слежение за стыком с предварительной записью текущих координат, реализацию способов сварки с .

|Е~та9

1 с н ии

||

ЯЯ |

ЬыЬод"

Рис.17. Система управления СУ279 и временные диаграммы цикла сварки

локальной разверткой и расщеплением пучка.

Наведение пучка на стык, автоматическое слежение за стыком и контроль фокусировки пучка осуществляются по ВЭ сигналам. Сварка с локальной 'разверткой реализуется в частотном диапазоне 10-2000 Гц. Ток пучка и ток фокусировки программируется на участках ввода-вьюода. Автоматическая отработка указанных программ выполняется заданием временного цикла сварки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Развит научный подход в изучении процесса ЭЛС как объек-

«

га управления. С позиции единой электрогидродинамической системы объектом управления выбирается сварочная ванна, охваченная контуром регулирования.

2. Предложена оптимальная структура комплекса технических средств, представленная в виде канала управления энергетическими 1араметрами процесса и канала управления положением пучка в плоскости изделия, совокупность управляющих воздействий которых обес-1ечивает формирование качественных сварных соединений в условиях юстоянно действующих конструктивно-технологических возмущений.

3. Установлены общие закономерности распределения плотности ющности в зоне термического воздействия при реализации способов :варки с локальной разверткой и колебаниями пучка.. Зкспериментапь-

31

но определена взаимосвязь распределения плотности мощности с гео метрией сварного шва. Предложен ряд новых способов ЭЛС с локаль ной разверткой пучка, позволяющих управлять геометрией шва и фор мирозать качественные сварные соединения путем выбора оптимально го распределения плотности мощности в зоне термического воздейст вия.

4. Разработаны способы ЭЛС металлов больших и средних тол шин с регулированием плотности мощности по глубине сварочной ван ны путем двойного преломления сканирующего пучка, предложена тех ника двойного преломления с формированием точки сходимости раз вертки пучка по глубине сварочной ванны.

5. Установлены основные закономерности формирования вторйч ноэмиссионных сигналов в вариации параметров электронного пучка конструктивных особенностей стыкуемых кромок.Обнаружены сущест венные отличия в формировании сигналов при считывании стыка кромки. Установлено, что при считывании кромок вершина вторичноэ миссионного сигнала сдвигается относительно границы перехода н величину радиуса пучка, что является определяющим фактором накоп ления погрешности совмещения. Предложена методика расчета вторич ноэмиссионных сигналов, для типичных случаев разработаны програм мы численной реализации на персональных компьютерах типа 1Е РС/АТ.

6. Разработан ряд модификаций вторичноэмиссионных систе слежения и наведения пучка на стык. Впервые в отечественной прак тике созданы системы управления, полностью автоматизирующие прс цесс сварки труб с трубными досками при производстве теплообмен ных аппаратов мощных энергетических установок. Обосновано исполь зование пучка сварочной пушки для визуализации поверхности изде лия во вторичноэмиссионном спектре и предложены алгоритмы схемнс реализации.

7. Предложены принципы построения и алгоритмы работы самс настраивающихся автоматических систем, позволяющих самостоятелы^ оптимизировать параметры и структуру при наличии конструктив но-технологических возмущений. Показана возможность использована ионной составляющей тока и ИК излучения в системах экстремальног регулирования. Разработаны принципиально новые структуры систе», осуществляющих саморегулирование частоты локальной развертки, се морегулирование распределения плотности мощности по глубине канг ла проплавления при двойном преломлении пучка, саморегулироваж вкладываемой мощности на участке замыкания шва, саморегулирован!'

объема сварочной ванны при сварке с присадкой.

8. Определена концепция многоконтурного управления как главного условия в достижении эксплуатационной гибкости автоматизированных систем в аспекте их промышленного производства и внедрения. Установлено, что повышение эксплуатационной гибкости способствует расширению функциональных возможностей используемого оборудования и обеспечивает экономию трудозатрат при производстве изделий новой техники.

9. Проведенные тоеретические и экспериментальные исследования позволили создать ряд эффективных способов ЭГС и разработать технические средства для их реализации. Разработано более 25 проектов автоматизированных систем управления различной функциональной направленности.' Организовало серийное производство указанного оборудования, что позволило произвести крупномасштабное внедрение разработок, на ряде промышленных предприятий 11-ти министерств и ведомств с суммарным экономическим эффектом более 11 млн. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Установки и аппаратура для электронно-лучевой сварки / А.И.Чвертко, А. М.Святский, А.И.Некрасов, Ю.Г.Куцан. - Киев: Наукова думка, 1971. - 104 с.

2. Электронно-лучевая сварка/ O.K.Назаренко, А.А.Кайдапов, С.Н.КоЕбасенко, Ю.Г.Куцан и др. // Под ред.акад. Б.Е.Патона.- Киев: Наукова думка, 1987. - 256 с.

3. Сварочное оборудование: Каталог-справочник: в 10 ч. / под 'ред. акад. Б.Е.Патона. - Киев: Наукова думка. 1972-1991. - ч.З: Сварочное оборудование. - С.115-117. - ч.4: Сварочное оборудована. - С.246-251. - 4.5: Сварочное оборудование. - С.82-85. -ч.б: Сварочное оборудование. - С.56-57. - ч.7: .Сварочное оборудование. - С.72-75. - 4.9: Сварочное оборудование. - С.69-84. -ч.10: Сварочное оборудование. - С.83-86.

4. Куцан Ю.Г. Разработка и исследование системы следящего преобразования для управления электронно-лучевыми технологическими установками: Автореф. дисс. ... канд.техн.наук: 05.12.08. - Киев,

1974. - 28 е.- не публ.

5. Куцан Ю.Г., Червинский Н.8. Система управления электронным пучком при сварке кольцевых швов / Сварочное производство. -

1975. - N 9. - С.48-49.

6. Куцан Ю.Г., Шестаков А.И. Копирующая система следящего преоб-

33

разования для управления электронно-лучевой сварочной установкой // Вопросы судостроения. Сварка. - Л.: ЦНИИ "Румб", 1977. -N 23. - С.64-68.

7. Куцан Ю.Г., Шестаков А.И. Использование пучка электронно-лучевой сварочной пушки для визуализации поверхности изделия // Вопросы судостроения. Сварка. Л.: ЦНИИ "Румб", 1978. - N 25. -С.80-82.

8. Куцан Ю.Г. Современные приборы для управления электронным лу чом сварочных пушек // Электронно-лучевая сварка: Материалы V111 Всесоюзной конференции. - Москва, 1983. - С.167-172.

9. Куцан Ю. Г. Реализация адаптивных алгоритмов совмещения в сис темах управления электронно-лучевыми установками // Электронно-лучевая сварка: Материалы научно-технической конференции. - М. МДНТП, 1986. - С.148-152.

10. Влияние фокусировки и локальной развертки пучка на формирование швов при электронно-лучевой сварке / В.В.Ардентое, В.И.За-горников, С.Н. Ковбасенко, ¡0.Г.Куцан, А.И.Шестаков // Судостроительная промышленность. Сварка. - 1986. - N 1. - С.66-72.

И. Сукач К.А., Ковбасенко С.Н., Куцан Ю.Г. Повышение стабильности качества зшов при электронно-лучевой сварке // Автоматическая сварка. - 1986. - N 6. - С.72-73.

12. Сукач К.А., Ковбасенко С.Н., Куцан Ю.Г. Управление геометрией шва при электронно-лучевой сварке с двукратным преломление! сканирующего пучка // Автоматическая сварка. - 1987. -НИ. • С.21-26, 30.

13. Куцан Ю.Г.,Сукач К.А..Ковбасенко С.Н. Аппаратура для элект роннолучевой сварки с двойным преломлением сканирующего пучк. // Сварочное производство. - 1987. - N 11. - С.32-34.

14. Куцан Ю.Г. ,Шершнев С.С. Прибор для управления пучком на ба зе микропроцессора // Автоматическое управление технологически процессом электронно-лучевой сварки: Сборник, науч. тр. - Киев ЮС им. Е.О.Патона, 1987. - С.58-64.

15. Куцан Ю.Г. Алгоритм наведения электронного пучка на сть: // Автоматическое управление технологическим процессом электронь лучевой сварки: Сборник науч. тр. - Киев: ИЭС им. Е.О.Патонг 1987. -С.81-88.

16. Сукач К. А., Ковбасенко С.Н., Куцан Ю.Г. Оптимизация фор* однопроходного шва при электронно-лучевой сварке с двойным пре ломлением пучка // Производство деталей и узлов энергетическог оборудования и контроль качества металла: Тр. МЭИ. - 1987. 34

N137. - С.37-41.

17. Технологические преимущества электронно-лучевой сварки сталей средних и больших толшцн с использованием двойного преломления сканирующего пучка / К. А.Сукач, М. Л. Жадкевич, С.Н.КоЕбасенко, Ю.Г.Куцан // Проблемы специальной электрометаллургии. - 1988. -N 1, - С. 73-79.

18. Микропроцессорное управление комплексом источников электропитания для электронно-лучевой сварки / В.К.Лебедев, В.Я.Чуйков, Т.А.Терещенко, В. Д.Шэлягин, Ю.Г.Куцан // Электронно-лучевая тех-нология-88: Докл. II международной конференции по электронно-лучевым технологиям. - Варна, 1988. - С.1037-1041.

19. Взаимосвязь параметров режима электронно-лучевой сварки и характеристик активной зоны пучка / М.Л.Жадкевич, С.Н.Ковбасенко, Ю.Г.Куцан, К.А.Сукач // Судостроительная промышленность. Сварка. - 1988. - N 6. - С.6-10.

20. Куцан Ю.Г. Система автоматического слежения за стыком при электронно-лучевой сварке // Автоматизация в сварочном производстве: Материалы научно-технической конференции сварщиков Урала и Казахстана. - Ижевск, 1989. - ч.I - С.33-34.

21. Куцан ¡0. Г. Система управления энергокомплексами для электроннолучевой сварки // Электронно-лучевая сварка в машиностроении: Материалы Всесоюзной научно-технической конференции. - Николаев, 1989. - С. 66-67.

22. Куцан Ю.Г., Ищук Ю.Т., Голуб 0.3. Система управления лучом сварочных пушек на базе микропроцессорных структур // Электронно-лучевая сварка в машиностроении: Материалы Всесоюзной научно* технической конференции. - Николаев, 1989. - С.71-73.

23. Куцан Ю.Г. Формирование в'горичноэмиссионных сигналов на стыкуемых кромках в системах управления положением электронного пучка при сварке // Тр. МЭИ. - 1989. - N 207. - С.28-38.

24. Система автоматического регулирования скорости подачи присадочной проволоки при ЭЛС / И.М.Фролов, Ю.Г.Куцан, В.П.Морочко и др. // Сварочное производство. - 1991. - N 4. - С.17-20.

25. Технологические возможности новых механизмов подачи присадки для электронно-лучевых технологий / С.Н.Ковбасенко, Ю.Г.Куцан, Б.Н.Шипицын и др. // Электронно-лучевая сварка: Материалы XI Всесоюзной научно-технической конференции. - Николаев, 1991. -С.145-149,

26. A.c. 1286372 (СССР) МКИ В 23 К 15/00. Устройство для электронно-лучевой сварки / Ю.Г.Куцан, К.А.Сукач, О.К.Назаренко и др.

35

// Б.И,- 198?.- N4.

27. A.c. 1293919 (СССР) КИИ В 23 К 15/00. Устройство для электроннолучевой сварки / Ю. Г.Куцан, J1.B.Тур, В.И.Созонтов и др.- не публ.

28. A.c. 1333507 (СССР) ЖИ В 23 К 15/00. Устройство для электроннолучевой сварки / Ю.Г.Куцан, В.В. Гумовский. С. Я. Макарихин v др. // Б. И,- 1987,- N32.

29. A.c. 1344548 (СССР) МКИ В 23 К 15/00. Устройство для электронно-лучевой сварки / Ю. Г.Куцан, В. В.Гумовский. Л.В. Тур и др.-не публ.

30. A.c. 1354543 .(СССР) МКИ В 23 К 15/00. Способ электронно-лучевой сварки и устройство для его осуществления / Ю.Г.Куцан, С.Н.Ковбасенко, К.А.Сукач.- не публ.

31t A.c. 1429456 (СССР) МКИ В 23 К 15/00. Способ электронно-лучевой сварки и устройство для его осуществления / С.Н.Ковбасенко, Ю.Г.Куцан, К.А.Сукач. - не публ.

32. A.c. 1450943 (СССР) МКИ В 23 К 15/00. Способ управления электронно-лучевой сваркой и устройство для его осуществления / К.А.Сукач, Ю. Г.Куцан, С. Н. Ковбасенко и др. // Б. И,- 1989,- N2.

33. A.c. 1462611 (СССР) МКИ В 23 К 15/00. Устройство для электронно-лучевой сварки / Ю.Г.Куцан, С.С. Шершнев, О. К.Назаренко ^ др.- не публ.

34. A.c. 1539023 (СССР) МКИ В 23 К 15/00. Устройство сле;кени5 за линией стыка при электронно-лучевой СЕарке / В.Я.Жуйков, Т.А.Терещенко, Ю.Г.Куцан и др. // Б.И,- 1990.- N4.

35. A.c. 1659183 (СССР) МКИ В 23 К 15/00. Способ электронно-лучевой сварки и устройство для его осуществления / Ю.Г.Куцан, В.В.Гумовский, С.Н.Ковбасенко и др. // Б.И.- 1991,- N24.

36. A.c. 1669129 (СССР) МКИ В 23 К 15/00. Способ электронно-лучевой сварки и устройство для его осуществления / ¡0. Г.Куцан, 0.3. Голуб, С. Н. Ковбасенко и др. - не публ.

37. A.c. 1669671 (СССР) МКИ В 23 К 15/00. Регулятор тока электронного луча / КЗ.Г.Куцан, В.Д.[Цэлягин, В.Я.Жуйков и др. // Б.И. -1991,- N30.

38. A.c. 1669672 (СССР) МКИ В 23 К 15/00. 15/02. Способ электронно-лучевой СЕарки и устройство для его осуществления / Ю.Г.Куцан. С.Н.Ковбасенко, К.А.Сукач и др. // Б.И.-1991,- N30.

ДСП от 28.04.92г.___ Зак. 4 Тир. 100

Участок полиграфии Института проблем материаловедения АН Украины 252680, Киев-680 ГСП, ул. Кржижановского. 3.