автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация наведения луча на стык в технологических комплексах электронно-лучевой сварки в атмосфере

На правах рукописи

ВЕЙСВЕР ТАТЬЯНА ГЕННАДЬЕВНА

АВТОМАТИЗАЦИЯ НАВЕДЕНИЯ ЛУЧА НА СТЫК В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ В АТМОСФЕРЕ

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г ч ноя 2013

005540658

Красноярск - 2013

005540658

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика

М.Ф. Решетнева», г. Красноярск и ОАО «Красноярский машиностроительный завод», г. Красноярск

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Браверман Владимир Яковлевич

Официальные оппоненты: Иванчура Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор. Сибирский федеральный университет, г. Красноярск, профессор кафедры «Систем автоматики, автоматизированного управления и проектирования»

Серегин Юрий Николаевич

кандидат технических наук, доцент. Сибирский государственный аэрокосмический университет им. академика М.Ф. Решетнева. доцент кафедры «Информационно-управляющие системы»

Ведущая организация: ФГУГ1 «11Г10 «Технологии машиностроения»

г. Москва

Защита состоится 20 декабря 2013 года в 15 часов па заседании диссертационного совета Д 212.249.02, созданного на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева» по адресу: 660014, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева.

Автореферат разослан (^ноября 2013 года.

Александр Алексеевич Кузнецов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) в атмосфере является сравнительно новой и перспективной технологией получения неразъемных соединений.

Высокая скорость сварки, некритичность к зазорам в стыке свариваемых деталей, отсутствие необходимости вакуумировання рабочего пространства определяют целесообразность применения этого вида ЭЛС, например, в условиях массового производства.

Вместе с тем, особенности ЭЛС в атмосфере - малое рабочее расстояние (менее 30 мм), обусловленное значительным рассеянием электронов в атмосфере, невозможность перемещения луча из-за шлюзовой конструкции электронно-лучевой пушки (ЭЛП), затрудняют совмещение луча со стыком при сварке. Для этой цели в технологию ЭЛС включают пробные проходы без сварки, корректируя положение свариваемых деталей в соответствии с показаниями индикаторов совпадения направления сварки с направлением стыка. Такой процесс объективно трудоемкий при невысокой точности, и отрицательно сказывается на производительности ЭЛС в атмосфере.

В связи с этим очевидна необходимость автоматизации наведения луча на стык непосредственно во время сварки. При этом, традиционные методы получения информации о положении луча относительно стыка (по вторичным электронам, тормозному рентгеновскому излучению), используемые при ЭЛС в вакууме, оказываются неприемлемыми при ЭЛС в атмосфере.

Теме автоматизации технологических процессов ЭЛС в атмосфере посвящены работы таких научных коллективов, как Институт электросварки имени Е.О. Патона (О.К, Назаренко), институт Манфреда фон Арденне (ФРГ), Институт материаловедения Ганноверского университета им. Готфрида Вильгельма Лейбница (А. Бенфли, Т. Хассель).

Направления работ этих коллективов связаны, в основном, с исследованием металлургических процессов в сварочной ванне и обеспечением требуемого формирования сварного шва.

Необходимость обеспечения технологических комплексов средствами автоматизации позиционирования луча по стыку при ЭЛС в атмосфере определяет актуальность работ в этом направлении.

В настоящей работе рассмотрены вопросы использования зависимости магнитного поля токов в деталях от положения луча относительно стыка и вопросы построения на основе этой зависимости устройств автоматического наведения луча на стык.

Цель работы.

Повышение точности совмещения луча со стыком и уменьшение трудоемкости технологического процесса ЭЛС в атмосфере.

з

Основные задачи:

- анализ систем управления положением электронного луча относительно стыка свариваемых деталей в технологических комплексах ЭЛС в атмосфере и выбор информационных сигналов;

- исследование распределения магнитного поля токов в свариваемых деталях при различных положениях луча относительно стыка;

- определение структуры и схемотехнических решений устройства управления положением электронного луча при ЭЛС в атмосфере;

- испытания САУ.

Область исследования. Работа выполнена в соответствии с пунктом 1 "Автоматизация производства заготовок, изготовления деталей и сборки", паспорта специальностей ВАК (технические науки, специальность 05.13.06 -автоматизация и управление технологическими процессами и производствами).

Методы исследования.

Результаты и выводы, представленные в диссертации, обоснованы математически с использованием аппарата теории функций, дифференциальных уравнений, уравнений Максвелла, экспериментальными исследованиями, моделированием на ЭВМ. При решении задачи синтеза САУ использовались методы теории автоматического управления.

Научная новизна. К научной новизне полученных результатов можно отнести:

1. Обосновано наличие информационной составляющей о положении стыка по магнитному полю над заваренным участком, позволяющее реализовать систему управления технологическим процессом ЭЛС в атмосфере.

2. Разработана математическая модель способа контроля положения стыка по магнитному полю над заваренным участком стыка деталей, устанавливающая зависимость величины вертикальной составляющей магнитного поля и положения луча относительно стыка деталей при ЭЛС в атмосфере.

3. Предложен и математически обоснован метод оценки погрешности наведения на стык по магнитному полю над заваренным участком стыка, основанный на учете технологических факторов - превышение кромок, разнородности свариваемых материалов, разнотолщинности деталей при ЭЛС в атмосфере.

4. Разработана система, позволяющая реализовать автоматическое наведение луча на стык при ЭЛС в атмосфере.

Практическая значимость. На основе диссертационных исследований разработана система управления положением электронного луча относительно стыка свариваемых деталей.

Теоретические результаты доведены до простых инженерных рекомендаций, позволяющих производить и эксплуатировать устройства

управления, удовлетворяющие требуемой точности в составе технологических

сварочных комплексов ЭЛС в атмосфере.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке системы автоматического управления положением электронного луча в составе сварочной установки NV-EBW 25-175 TU фирмы PTR Prazisionstechnik GmbH для ЭЛС в атмосфере. Пробные испытания проводились на сварочной установке ЭЛУ-9Б с энергокомплексом ЭЛА 60/15. При испытаниях погрешность совмещения луча со стыком составила ±0,3мм.

Результаты работы использованы в учебном процессе для курсов «Автоматизация сварочных процессов» и «Элементы автоматики».

Основные положения, выносимые на защиту

- способ управления положением электронного луча, основанный на идентификации магнитного поля в окололучевой зоне и положения луча относительно стыка при сварке в атмосфере;

- распределение магнитных полей в окололучевой зоне, вызванных током

в свариваемых деталях;

- математическая модель системы управления положением электронного луча с феррозондовым датчиком магнитного поля при сварке в атмосфере;

- определение влияния на точность системы управления положением электронного луча технологических факторов процесса;

- структурные и функциональные схемы системы автоматического

управления положением электронного луча.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных научных конференциях Electron Beam Technology (Varna, 2012), XV, XVI и XVII «Решетневские чтения» (Красноярск, 2011, 2012, 2013 п\), Научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «Информационные спутниковые системы имени академика М.Ф. Решетнева» «Разработка, производство и эксплуатация космических аппаратов и систем», посвященной 50-летию полета в космос Ю.А.Гагарина (Железногорск, 2011), Международной научно-технической конференции «Сварка и контроль - 2013» (Пермь, 2013), XXXIII Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий (Миасс, 2013), 7 международной научно-технической конференции «Beam Technologies and Laser Application Proceedings» (Санкт-Петербург, 2012), на научно-практическом семинаре кафедры «Систем автоматического управления» (Красноярск, 2011 г.), на научно-практическом семинаре кафедры «Информационно-управляющих систем» (Красноярск, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ в отечественных и зарубежных изданиях, из них 5 статей в научных изданиях из перечня ВАК. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура работы. Диссертационная работа включает в себя страниц текста, иллюстрации и список литературы из наименований. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы и сформулированы положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ состояния исследований и разработок в области управления положением электронного луча относительно стыка свариваемых деталей при ЭЛС в атмосфере. Осуществлен анализ факторов, влияющих на точность систем управления положением электронного луча при сварке в атмосфере.

Для управления положением луча целесообразно использовать явления, сопутствующие процессу ЭЛС. Это вторично-электронная эмиссия, рентгеновское излучение, ионный ток, токи в свариваемых деталях, образованные током луча. Использование первых трех составляющих в качестве информационных не приемлемо для ЭЛС в атмосфере в связи со значительным рассеянием электронов луча, обусловливающим высокий уровень помех. Кроме этого, в известных устройствах слежения за стыком используются различные развертывающие преобразования, связанные с кратковременным выводом луча из зоны сварки. При ЭЛС в атмосфере такое невозможно из-за шлюзовой конструкции электронно-лучевой пушки (ЭЛП) (рисунок 1) и отсутствии, в связи с этим, отклоняющей системы.

Расположение отклоняющей системы в рабочем пространстве (в зазоре между ЭЛП и деталями) конструктивно затруднено.

Исследования показали, что в качестве информационного сигнала можно использовать магнитное поле токов в деталях, которое зависит от положения луча относительно стыка. Это делает возможным определение положения сварочной ванны относительно стыка без поисковых перемещений луча.

Вторая глава посвящена обоснованию возможности определения положения электронного луча относительно стыка по распределению магнитного поля токов, протекающих по свариваемым деталям при ЭЛС без ограничений, связанных с необходимостью использования специальных токоподводов.

Магнитное поле в окололучевой зоне создается в основном полем токов в свариваемом изделии, а также намагниченностью изделия и оснастки и магнитным полем Земли. Если луч расположен точно над стыком (рисунок I, а), то напряженности магнитных полей (в том числе, их вертикальные составляющие Нг\ и Нг2), вызванные элементарными токами /, и /2 равны по величине и направлены противоположно:

иг, - Нг1 = о

При отклонении луча от стыка (рисунок 1, б) на пути элементарного тока /2 оказывается заваренный участок, и напряженность магнитного поля, вызванного током /2, станет больше на величину ЛН, обусловленную прохождением элементарного тока /2 по этому участку. Результирующее магнитное поле будет определяться вертикальной составляющей напряженности АН.

а) б)

Рисунок 1 - Способ определения отклонения электронного луча от стыка

Установлена зависимость вертикальной составляющей магнитного поля от токов при отсутствии ограничения, связанных с необходимостью применения специальных токоподводов. Это подтверждено расчетами путем численного моделирования сварки на основе уравнений Максвелла в пакете программ «Сошло/ МиЫркшел»

Р Р ЪО Р дИ гоШ = /+-,го/£ =--,

■^дг Э/

с1п>8 = Р,с1п$=0,

где Е — напряженность электрического поля, В - поле смещения (электрический поток), Н - напряженность магнитного поля , ] - плотность

тока, р - плотность объемного заряда, В - магнитная индукция; е -относительная диэлектрическая проницаемость, ц - магнитная проницаемость, у - электрическая проводимость, е0- электрическая постоянная, - магнитная проницаемость вакуума.

Рисунок 2 - Распределение токов и магнитных полей в изделии при электроннолучевой сварке: а - при совпадении луча со стыком; б - при отклонении луча вправо

на 0,1 мм.

Получение частного решения соответствующей краевой задачи осуществлялось путем ее конечно-элементной аппроксимации заданной точности с последующим применением итерационного метода. Расчет проведен при варьировании смещения электронного луча, превышения кромок, при сварке разнородных материалов (алюминий, сталь и медь), при разнице размеров деталей, при наличии прихваток в условиях локального термического равновесия в зоне термического влияния.

На рисунке 2 представлены результаты расчетов для сварки деталей из АМг-6 толщиной 10 мм при токе луча 0,1 А, ускоряющем напряжении 175 кВ. По условиям моделирования задано, что токоподводом является металлическая плита, на которой находятся свариваемые детали. При совпадении электронного луча со стыком при сварке идентичных деталей распределение полей симметрично относительно стыка изделия.

При ЭЛС разнородных материалов распределение токов меняется из-за разницы сопротивлений и магнитной проницаемости материалов. В результате при отсутствии отклонения луча от стыка имеется вертикальная составляющая магнитного поля (рисунок 3).

Для правильной работы системы управления необходимо задать корректирующую уставку для компенсации сигнала на входе системы при нахождении луча на стыке.

Рисунок 3 - Распределение токов и магнитных полей в изделии при электроннолучевой сварке разнородных металлов (сталь + медь) без смещения.

Вертикальная составляющая магнитного поля в соответствии с принципом суперпозиции и законом Био-Савара-Лапласа рассчитывается путем интегрирования длин радиус-векторов, соединяющих точку измерения с последовательно расположенными точками вдоль детали, по расстоянию от точки измерения до границ деталей

-2 2к { (й2+(/цг)2) 2;г ■ р2 • /2 • я, ■ Ь,

х'Г_Щ_^

{ ((/; + Д6 + АЛ) + (/ ± £•) )

где / —ток луча; 1\\\1г- ширина деталей; е — величина смещения электронного луча от стыка, И - высота расположения датчика над плоскостью свариваемых деталей, ДЛ - превышение кромок, р\ и р2 - удельные сопротивления материалов

деталей, а, - длина первой детали, Ь\ - толщина первой детали, А а - разница в

длине между деталями, АЬ - разница в толщине деталей.

электронный луч

А

,Н1 2

/» N а

\ / \

унг \ \

/ / \ \ \

Р1 О п

А

\ ш

Р2

Рисунок 4 - Определение вертикальной составляющем напряженности магнитного поля: а) - общин вид системы; б) - проекция на плоскость ОХг при нахождении луча на стыке; в) - проекция на плоскость 0X2 при отклонении луча влево. /=7 и - проекции элементарных токов на плоскость 0X2.

В частном случае (рисунок 4), при идентичности размеров, конфигурации и материалов свариваемых деталей, формула принимает вид:

2л { (И + (/ —£) ) 2л (/Г + (/ + £)") После интегрирования и упрощения формула принимает вид

4лг/ -7/Г+/2 + 4/е + 4гг ДЯ(£], А/м

1.5л1С~3|-г

$ д

1-А=0; 2-А=о,5мм; 3-Д=1мм; 4-Д=1,5мм.

Рисунок 5 - Зависимость вертикальной составляющей магнитного поля от смешения ЭЛП при наличии превышения кромок

При отклонении луча от стыка симметричность распределения нарушается, а его вид зависит от величины и направления смещения электронного луча.

На рисунке 5 приведен график зависимости АН( д,е) в условиях идентичности размеров и материала свариваемых деталей при различном превышении кромок свариваемых деталей. Зависимость вертикальной

составляющей магнитного поля от величины смещения луча является линейной в заданном диапазоне отклонений луча. Изменение высоты установки датчика над поверхностью свариваемых деталей от 0 до 50 мм не сказывается на величине измеряемой составляющей.

Таким образом, установлена возможность определения положения электронного луча относительно стыка по распределению магнитного поля токов, протекающих по свариваемым деталям при ЭЛС без ограничений, связанных с необходимостью использования специальных токоподводов.

Третья глава посвящена разработке и анализу системы управления положением электронного луча при ЭЛС. Измерительное устройство преобразует входной сигнал в напряжение, пропорциональное отклонению электронного луча от стыка. В качестве датчика магнитного поля использован феррозонд. При выборе режима его работы и параметров системы управления учтено влияние помехи, обусловленной магнитным полем земли и намагниченностью сварочной оснастки.

ут

й4

К

Й4

уШ

Рисунок 6 - Функциональная схема системы управления положением электронного луча (Уцу(.ч) - передаточная функция (ПФ) измерительного устройства, 1Уус(к) - ПФ усилителя, И'уу(н) -ПФ устройства управления, 1УКУ(*) - ПФ корректирующего устройства, №ф3(л) - ПФ феррозондового

датчика магнитного поля

На рисунке 6 приведена функциональная схема системы управления позиционированием электронного луча при сварке в атмосфере. Передаточная функция системы

1 + \¥иу (*) ■ 1Уу(- (5) • У/уу (5) ■ У/„ (*) + №1<у(5 ) ■ (.г) ■ \Ууу(з)

Для получения стабильных характеристик на генераторы и избирательный усилитель наложены жесткие условия. В качестве генераторов частот 2со и 2ш + 0 использованы кварцевые генераторы. Избирательный усилитель построен на операционном усилителе с колебательным звеном в обратной связи. Полоса пропускания избирательного усилителя выбрана такой, чтобы все остальные составляющие кроме 2ш + £2 подавлялись с

коэффициентом ослабления не менее 40 дБ. Передаточная функция избирательного усилителя

и'тЧ*)=П ,, К'\-, гае I = з

Добротность каждого каскада избирательного усилителя не менее 1000. Для повышения добротности использован резонансный режим цепи выходная обмотка феррозонда - измерительное устройство. Применение резонансного режима феррозонда при выделении сигнала второй гармоники уменьшает фазовую нестабильность при колебаниях частоты возбуждения и параметров настроечных элементов по сравнению с резонансным усилителем с тем же значением добротности.

В результате анализа статических и динамических характеристик устройства управления выработаны рекомендации по рациональному выбору параметров элементов системы управления, удовлетворяющие условиям устойчивости и требованиям качества управления.

В четвертой главе рассмотрены вопросы технической реализации и экспериментальных исследований системы управления положением электронного луча по распределению магнитных полей при сварке в атмосфере.

На рисунке 7 приведена структурная схема системы управления позиционированием электронного луча, преобразующая информационную составляющую магнитного поля в перемещение ЭЛП относительно стыка.

Задающий генератор частоты 2со, через делитель частоты на два, питает гармоническим током, с частотой ю, обмотку возбуждения феррозонда IV,. Сигнал феррозонда е2 усиливается избирательным усилителем, настроенным в резонанс на частоте 2со. Полоса пропускания избирательного усилителя выбирается такой, чтобы захватывались боковые частоты 2ш-£2 и 2со + £2, где О - частота переменного магнитного поля, образованного током сварочного контура. Усиленный сигнал детектируется синхронным детектором, на выходе которого получается напряжение модулированное частотой О измеряемого поля сварочного контура. Выходной сигнал синхронного детектора усиливается избирательным усилителем, настроенным на частоту О и детектируется синхронным детектором, опорный вход которого связан с источником сварочного тока частоты О. Выходное напряжение этого синхронного детектора пропорционально измеряемой составляющей переменного

Y

Привод

перемещения 3J111

т

магнитного поля Нп- Для устранения загрузки усилителя немодулированным сигналом с частотой 2ш предусмотрена автоматическая компенсация в объеме феррозонда постоянных и медленно меняющихся составляющих суммарного магнитного поля помехи. Для обеспечения автоматической компенсации поля помехи напряжение с выхода детектора подается в компенсационную обмотку \¥к феррозонда, создавая в ней поле компенсации Ик, направленное встречно полю Я«. Вследствие перемещения ЭЛП изменяется распределение магнитных полей и, соответственно, интенсивность вертикальной составляющей, регистрируемой датчиком.

Рисунок 8 - Образцы швов, полученные при ЭЛС деталей из АМг-6 с наведением луча на стык по распределению магнитного поля (слева) и без наведения (справа)

В разработанном устройстве феррозонд крепится на кронштейне, позволяющем изменять его положение относительно оси электронного луча. При этом оси луча и датчика расположены в плоскости стыка свариваемых изделий. В качестве феррозондового датчика магнитного поля применен феррозонд НВ 0391.5-35 производства ООО «НПО ЭНТ». Для работы датчика в обмотке возбуждения создается переменный ток с частотой 12,5 кГц. Чувствительный элемент реагирует на разность внешнего магнитного поля и поля, создаваемого током в обмотке обратной связи.

Экспериментальные исследования показали, что величина вертикальной составляющей несет информацию о величине отклонения электронного луча, материале и форме деталей. Амплитуда вертикальной составляющей напряженности магнитного поля изменяется от 6,5-10'5 до 2,1 • 10" А/м (при токе сварки 0,1 А) при отклонении луча от стыка на 0,5-И мм, что соответствует полученным расчетным соотношениям. При этом датчик размещается на высоте 30 мм над поверхностью свариваемых деталей и на удалении от луча до 100 мм.

!

1,4 ^вых, В э......

1

/ Я

.................................................................. / л» .....-........... -угы- ^^^ е, мм

.......................................->г........р^—т^рм "б ,"'/'* .^З»-- лл г \ 6

...............................................

......................................................................................&6~

X Д

1-Д=0; 2-Д=Змм; 3-Д=5мм; 4-Д=10мм. Рисунок 9 - Зависимость выходного напряжения измерительного устройства от смещения ЭЛП при наличии превышения кромок

На рисунке 9 приведена экспериментально полученная зависимость выходного напряжения измерительного устройства от смещения ЭЛП относительно стыка при наличии превышения кромок. Вид зависимости повторяет зависимость магнитного поля (рисунок 5) от величины превышения кромок.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате анализа систем управления положением луча установлено, что существующие системы неприемлемы при ЭЛС в атмосфере и предложено в качестве информационного сигнала использовать магнитное поле

токов в свариваемых деталях.

2. Установлено, что вертикальная составляющая магнитного поля токов в деталях несет информацию о положении луча относительно стыка. Это позволяет:

- контролировать фактическое положение луча и корректировать с помощью системы автоматического управления;

- исключить поисковые движения луча и, следовательно, упростить

устройство;

- исключить ограничения, связанные с необходимостью использования специальных токоподводов, снизить трудоемкость процесса ЭЛС в атмосфере.

3. Разработанные структурные и схемотехнические решения системы управления положением электронного луча позволяют при минимальных аппаратных затратах обеспечить инвариантность системы к основным технологическим помехам.

4. Сходимость (10-И5%) результатов расчетов и экспериментальных результатов свидетельствует об адекватности моделей электромагнитных процессов и измерительного устройства системы управления.

Основные положения п результаты диссертационной работы представлены в следующих основных работах автора (знаком * выделены публикации, входящие в перечень ВАК):

1. * Браверман В.Я. Повышение точности позиционирования луча по стыку при электронно-лучевой сварке в. условиях действия магнитных полей / Т.Г. Вейсвер, В.Я. Браверман, В. С. Белозерцев // Вестник СибГАУ: сб. науч. тр. Красноярск, 2011. - Вып. 4(37) - С. 156-159 .

2. * Браверман В.Я. Устройство для автоматического слежения за стыком при электронно-лучевой сварке / В. Я. Браверман, Т.Г. Вейсвер, В. С. Белозерцев // Вестник СибГАУ: сб. науч. тр. Красноярск, 2011. - Вып. 5(38) -С. 127-130 .

3. * Браверман В.Я. Контроль глубины проплавления по интенсивности рентгеновского излучения при электронно-лучевой сварке / Т.Г. Вейсвер, В.Я. Браверман, B.C. Белозерцев // Вестник СибГАУ: сб. науч. тр. Красноярск, 2010. -Вып. 6(32) - С. 116-119 .

4. * Браверман В.Я. Повышение точности контроля проплавления при электронно-лучевой сварке / Т.Г. Вейсвер, В.Я. Браверман, B.C. Белозерцев // Вестник СибГАУ: сб. науч. тр. Красноярск, 2012. - Вып. 2(42) - С. 122-126 .

5. Браверман В.Я. Слежение за стыком по вертикальной составляющей магнитного поля при электронно-лучевой сварке / Т.Г. Венсвер, В. Я. Браверман // Решетневские чтения: Материалы XVI Междунар. науч. конф., Красноярск: СибГАУ. - 2012. - Ч. 1. - С. 348 - 349.

6. Belozertzev V. The device with fluxgate sensor for joint tracking /

T. Veisver, V. Bashenko, V. Belozertzev, V. Braverman, N. Goryashin, A. Lelekov // Elektrotechnica & Elektronica: Monthly scientific and technical magazine, Sofia, V. 5-6. 2012, P. 58-63.

7. Методы повышения качества сварных швов при электронно-лучевой сварке в условиях действия магнитных полей: отчет о НИР/ Т.Г. Вейсвер, В.Я. Браверман, B.C. Белозерцев - Красноярск: Сибирский государственный аэрокосмический университет им. акад. М.Ф. Решетнева, №1.20.11, ГРНТИ 81.35.19,- 128 с.

8. Браверман В.Я. Определение отклонения луча от стыка при электронно-лучевой сварке / Т.Г. Вейсвер, В. Я. Браверман // XXXIII Всерос.

конференция по проблемам науки и технологий: тез.докл., Миасс: МСНТ, 2013 -С. 74

9. Браверман В.Я. Определение отклонения луча при электронно-лучевой сварке / Т.Г. Вейсвер, В. Я. Браверман, В. С. Белозерцев // Сварка и контроль-2013: Материалы междунар. науч.-техн. конф., Пермь: ПНИПУ. - 2013. - С. -436-441.

10. Вейсвер Т.Г. Стабилизация глубины проплавления при электроннолучевой сварке // Разработка, производство и эксплуатация космических аппаратов и систем: Материалы науч.-техн. конф. молодых специалистов ОАО «Информационные спутниковые системы» им. акад. М.Ф. Решетнева», посвященной 50-летию полета в космос Ю.А.Гагарина, Железногорск. - 2011. -С. 295-296.

11. Вейсвер Т.Г. Отклоняющие системы при электроннолучевой сварке в атмосфере // Решетневские чтения: Материалы XV Междунар. науч. конф., Красноярск: СибГАУ. - 2011. - С. 322 - 323.

12. Браверман В.Я. Слежение за стыком при ЭЛС разнородных материалов / Т.Г. Вейсвер, В. Я. Браверман // Решетневские чтения: Материалы XVII Междунар. науч. конф., Красноярск: СибГАУ. - 2013. - 4.1. - С. 408.

13. Браверман В.Я. Определение положения электронного луча относительно стыка по магнитному полю сварочного тока / Т.Г. Вейсвер, В. Я. Браверман, B.C. Белозерцев, А.Т. Лелеков, В.В. Башенко // Beam Technologies and Laser Application. Proceedings of the seven international scientific and technical conference. - SPb, September 18-21, 2012: Publishing house SPbSPU, 2013. P. 383389.

14. * Браверман В.Я. Определение отклонения луча при электроннолучевой сварке / Т.Г. Вейсвер, В. Я. Браверман, В. С. Белозерцев // Сварка и диагностика: Москва, 2013. - №5. - С. 27-32.

Вейсвер Татьяна Геннадьевна

Автоматизация наведения луча на стык в технологических комплексах электронно-лучевой сварки в атмосфере

Автореферат

Подписано к печати 04.11.2013 Формат 60x84/16 Уч. изд. л. 1.0 Тираж 100 экз. Заказ №

Отпечатано в типографии ОАО «Красмаш» 660123. г. Красноярск, просп. им. газ. Красноярский рабочий, 29

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ АКАДЕМИКА М.Ф. РЕШЕТНЕВА ОАО «КРАСМАШ»

АВТОМАТИЗАЦИЯ НАВЕДЕНИЯ ЛУЧА НА СТЫК В

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ В АТМОСФЕРЕ

Специальность 05.13.06.- Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук доцент Браверман В.Я

Красноярск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................5

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ НАПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА НА СТЫК ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ............................8

1.1 Физические явления, возникающие при ЭЛС в атмосфере................13

1.2 Системы направления электронного луча по стыку........................15

1.3 Датчики стыка, используемые при ЭЛС........................................18

1.3.1 Механические датчики стыка...................................................18

1.3.2 Вторично-электронные системы позиционирования луча...............18

1.3.3 Электромагнитные датчики......................................................23

1.3.4 Оптические методы позиционирования.......................................26

1.3.5 Наведение луча на стык по рентгеновскому излучению...................29

1.4 Выводы, постановка задачи.........................................................32

ГЛАВА 2 СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА ОТНОСИТЕЛЬНО СТЫКА СВАРИВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ..............................34

2.1 Расчет электромагнитных процессов при отклонении электронного луча от стыка..........................................................................................34

2.1.1 Расчет магнитного поля при сварке идентичных деталей...............35

2.1.2 Расчет магнитного поля при сварке разнородных металлов............39

2.1.3 Распределение магнитного поля при сварке разнотолщинных деталей..........................................................................................40

2.1.4 Влияние прихваток на распределение магнитного поля.................42

2.2 Определение аналитической зависимости вертикальной составляющей магнитного поля от параметров свариваемых деталей............44

2.2.1 Определение аналитической зависимости для случая

сварки идентичных деталей.................................................................44

2.2.2 Влияние толщины кромок на вертикальную составляющую магнитного поля................................................................................50

2.2.3 Влияние превышения кромок на вертикальную составляющую магнитного поля.............................................................................. 51

2.2.4 Зависимость вертикальной составляющей магнитного

поля от геометрических размеров деталей, материалов и превышения кромок 53

2.3 Влияние тока, обусловленного термоэдс на распределение магнитного поля...............................................................................55

2.4 Выводы...............................................................................57

ГЛАВА 3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ РАБОЧЕГО ИНСТРУМЕНТА..........................................59

3.1 Функциональная схема и передаточные функции системы управления (СУ) положением электронного луча.....................................59

3.2 Датчик положения электронного луча относительно стыка.................60

3.3 Измерительное устройство........................................................65

3.3.1 Избирательный усилитель........................................................65

3.3.2 Синхронный детектор (демодулятор).........................................72

3.3.3 Фильтр...............................................................................73

3.4 Исполнительное устройство системы управления...........................75

3.5 Анализ системы управления......................................................76

3.6 Коррекция системы автоматического направления луча на стык........79

3.7 Точность системы управления...................................................83

3.8 Выводы.................................................................................89

ГЛАВА 4 ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

ПОЛОЖЕНИЕМ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА ..........................................90

4.1 Элементы измерительного устройства..........................................93

4.1.1 Феррозондовый датчик...........................................................93

4.1.2 Генератор возбуждения..........................................................94

4.1.3. Избирательный усилитель......................................................96

4.1.4 Синхронный детектор............................................................97

4.2 Экспериментальные исследования опытного образца устройства автоматического управления положением электронного луча ...................98

4.2.1 Анализ чувствительности измерительного устройства...................99

4.2.2 Анализ точности измерительного устройства...............................102

4.3 Выводы.................................................................................106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................108

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ.................................................109

Заключение об испытаниях..................................................................110

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ......................................111

ВВЕДЕНИЕ

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) в атмосфере является сравнительно новой и перспективной технологией получения неразъемных соединений.

Высокая скорость сварки, некритичность к зазорам в стыке свариваемых деталей, отсутствие необходимости вакуумирования рабочего пространства определяют целесообразность применения этого вида ЭЛС, например, в условиях массового производства.

Вместе с тем, особенности ЭЛС в атмосфере - малое рабочее расстояние (менее 30 мм), обусловленное значительным рассеянием электронов в атмосфере, невозможность перемещения луча из-за шлюзовой конструкции электроннолучевой пушки (ЭЛП), затрудняют совмещение луча со стыком при сварке. Для этой цели в технологию ЭЛС включают пробные проходы без сварки, корректируя положение свариваемых деталей в соответствии с показаниями индикаторов совпадения направления сварки с направлением стыка. Такой процесс объективно трудоемкий при невысокой точности, и отрицательно сказывается на производительности ЭЛС в атмосфере.

В связи с этим очевидна необходимость автоматизации наведения луча на стык непосредственно во время сварки. При этом, традиционные методы получения информации о положении луча относительно стыка (по вторичным электронам, тормозному рентгеновскому излучению), используемые при ЭЛС в вакууме, оказываются неприемлемыми при ЭЛС в атмосфере.

Теме автоматизации технологических процессов ЭЛС в атмосфере посвящены работы таких научных коллективов, как Институт электросварки имени Е.О. Патона (О.К, Назаренко), институт Манфреда фон Арденне (ФРГ), Институт материаловедения Ганноверского университета им. Готфрида Вильгельма Лейбница (А. Бенфли, Т. Хассель).

Направления работ этих коллективов связаны, в основном, с исследованием металлургических процессов в сварочной ванне и обеспечением требуемого фор-

мирования сварного шва.

Необходимость обеспечения технологических комплексов средствами автоматизации позиционирования луча по стыку при ЭЛС в атмосфере определяет актуальность работ в этом направлении.

В настоящей работе рассмотрены вопросы использования зависимости магнитного поля токов в деталях от положения луча относительно стыка и вопросы построения на основе этой зависимости устройств автоматического наведения луча на стык.

Целью работы являлось повышение точности совмещения луча со стыком и уменьшение трудоемкости технологического процесса ЭЛС в атмосфере.

В процессе работы решались задачи:

- анализ систем управления положением электронного луча относительно стыка свариваемых деталей в технологических комплексах ЭЛС в атмосфере и выбор информационных сигналов;

- исследование распределения магнитного поля токов в свариваемых деталях при различных положениях луча относительно стыка;

- определение структуры и схемотехнических решений устройства управления положением электронного луча при ЭЛС в атмосфере;

- испытания САУ.

На защиту выносятся:

- способ управления положением электронного луча, основанный на идентификации магнитного поля в окололучевой зоне и положения луча относительно стыка при сварке в атмосфере;

- распределение магнитных полей в окололучевой зоне, вызванных током в свариваемых деталях;

- математическая модель системы управления положением электронного луча с феррозондовым датчиком магнитного поля при сварке в атмосфере;

- определение влияния на точность системы управления положением электронного луча технологических факторов процесса;

- структурные и функциональные схемы системы автоматического управления положением электронного луча.

ГЛАВА 1

АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ НАПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА НА СТЫК ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) является развитым технологическим процессом и используется более чем в 30 странах мира в основных отраслях промышленности: автомобильной; авиационной; космической;

энергомашиностроении; судостроении; тяжелом машиностроении для транспорта, металлургии, химической промышленности, добычи полезных ископаемых, сельского хозяйства; легком машиностроении; точной механике; инструментальной промышленности; приборостроении; медицинской промышленности; электротехнике; электронике. До 30% установок действует в Европе и около 50% — в США. Наибольшее количество установок работает в автомобилестроении. На некоторых крупных машиностроительных предприятиях 40-90% объема сварочного производства выполняется с помощью электроннолучевой сварки [1]. В настоящее время проводится систематизация накопленных научно-технических достижений, ведутся поиски путей для их дальнейшего использования в народном хозяйстве [2].

Имеющиеся результаты исследований свариваемости новых алюминий-литиевых сплавов, а также опыт успешного применения некоторых из них в авиакосмической технике стали предпосылкой создания гражданских самолетов, отличающихся высокими показателями экономичности и безопасности [3].

ЭЛС также применяется в агрегатном и корпусном производстве, где, как правило, осуществляется сварка ответственных узлов из разнородных, трудносвариваемых, высокопрочных металлов и сплавов на основе алюминия, марганца, титана, меди и других металлов, толщиной до 200 мм. Сварка данных материалов является неотъемлемым процессом при производстве деталей и механизмов, в том числе и биметаллических (титановый сплав - коррозионно-стойкая сталь).

Расширение применения ЭЛС в различных отраслях промышленности РФ связано с [4] совершенствованием и более широким использованием систем программного управления при модернизации электронно-лучевых установок (ЭЛУ), разработкой программного обеспечения, разработкой процессов многолучевой и многофокусной сварки, автоматическим управлением и стабилизацией глубины проплавления, разработкой мероприятий по минимизации и коррекции аберраций электронов за счет совершенствования электростатических отклоняющих систем (ЭОС), применением новых прецизионных приводов для перемещения деталей и роботизированных систем, обеспечивающих возможность ЭЛС соединений любой пространственной конфигурации.

Необходимость вакуумирования свариваемого стыка во избежание рассеивания электронного луча, а также загрязнения сварного шва при электроннолучевой сварке, требует постройки крупногабаритных вакуумных камер, высокая стоимость которых, громоздкость и длительное время процессов вакуумирования и развакуумирования камеры приводят к ограниченному использованию технологии в промышленности. Одним из технологических решений проблемы данного рода в машиностроении является электроннолучевая сварка в атмосфере, практикующаяся на автомобилестроительных заводах в Германии [5, 6].

При разработке технологии традиционные способы дуговой и контактной сварки были отвергнуты в связи с их низкой производительностью. Попытки применить лазерную сварку натолкнулись на препятствия, связанные с физическими свойствами алюминиевых сплавов и с конструктивными особенностями кузовных деталей. В частности, высокая отражающая способность алюминиевых сплавов и образующееся над сварочной ванной облако высокодисперсного оксида алюминия резко снижают КПД лазерной сварки, что затрудняет получение качественных и воспроизводимых швов. Следующей проблемой являются сборочные зазоры. Традиционно, большинство кузовных

деталей собирается с помощью точечной сварки и имеет отбортовку. Это обстоятельство определило целесообразность применения сварки плавлением по отбортовке без присадочной проволоки. Малый диаметр лазерного луча и большие зазоры между двумя отбортовками, возникающие при сборке, являются причиной многочисленных дефектов. Поиск альтернативных технологий для решения вышеперечисленных проблем привел к выбору технологии ЭЛС в атмосфере. Благодаря рассеянию электронов в атмосфере, диаметр луча на расстояни 25 мм от выходного отверстия пушки (рисунок 1.1) составляет 3-4 мм, что является положительным фактором при сварке деталей с большими сборочными зазорами.

В отличие от ЭЛС в вакууме электронный луч в атмосфере имеет низкоэнергетическую периферийную часть, которая окружает центр луча с высокой концентрацией энергии. Это является положительным фактором при сварке сталей с покрытием, поскольку покрытие, попадая в первую очередь в периферийную часть луча, находящуюся перед сварочной ванной, мгновенно испаряется и сварка происходит по стальным кромкам свободным от покрытия [6].

Система

ступенчатой

откачки

Высокий вакуум Р<104тЬаг

Вид электронного луча в атмосфере

Устройство вывода луча в атмосферу

Рисунок 1.1- Электронно-лучевая пушка для сварки в атмосфере.

Как и при использовании других способов сварки, при ЭЛС в атмосфере возможно образование различных дефектов, таких как непровары, выплески, подрезы и другие [7]. Поэтому важным моментом остается повышение качества сварных соединений, уменьшение потерь вследствие брака, а также улучшение эксплуатационных характеристик свариваемых узлов и изделий.

ЭЛС представляет собой многофакторный процесс, характеризующийся большим числом взаимосвязанных параметров. Изменение мощности, скорости сварки, фокусировки и отклонение луча от траектории влияют на геометрические и химические характеристики сварного шва. Даже установка строго рассчитанных параметров для получения определенной геометрии шва не даст нужного результата вследствие определенной изменчивости технологических параметров. К примеру, как показано в [8, с. 47], если оператор перед сваркой совмещает маломощный пучок электронов со стыком свариваемых кромок, то при повышении тока пучка до номинального значения фокусное пятно может сместиться, в том числе перпендикулярно к плоскости стыка. Изменение тока фокусировки также может сместить фокусное пятно в сторону от стыка. Другие причины погрешности совмещения луча со стыком связаны с ошибками аксиальной симметрии сварочной пушки из-за неточностей ее изготовления и сборки, локальной намагниченности узлов пушки и изделия.

Создание АСУТП ЭЛС предполагает решение следующих задач: автоматизация основных и вспомогательных операций ЭЛС; оптимизация ТП ЭЛС; повышение надежности функционирования систем управления в результате применения современных методов диагностики и прогнозирования работоспособности; детерминирование аварийных ситуаций и разработка алгоритмов функционирования систем в нештатных режимах; выдача информации о ходе процесса сварки с фиксацией отклонений от заданных параметров режима с привязкой их к сварному шву в реальном времени.

Система управления ЭЛС в общем случае состоит из [9]: объекта управления, датчиков, измерительного устройства и устройства управления. В функции автоматизированной системы управления ЭЛС (рисунок 1.2) входит сбор и обработка информации о местонахождении луча, сравнении ее с заданными значениями и формирование управляющих воздействий на объект регулирования.

ОУ

А4

технологическое оборудование

ток луча

ускоряющее напряжение

скорость сборки

координаты луча

АСУТП

Контроллер

I

Датчики

ОЗЬ

ОУ - объект управления; ЭЛ - электронный луч; УСО - устройство связи с объектом.

Рисунок 1.2 - Автоматизированная система управления технологическим процессом электронно-лучевой сварки (АСУТП)

Автоматизация ЭЛС подразумевает автоматическое управление положением луча относительно стыка свариваемых деталей, управление скоростью сварки и перемещением изделия, стабилизацию параметров сварного шва (глубины проплавления, ширины шва, радиуса корневой части), управление началом и окончанием процесса сварки (ввод-вывод луча), регистрацию

12

параметров технологического процесса. Каждая из указанных задач требует определенного набора средств и технологических приемов в зависимости от спецификации конкретного технологического процесса ЭЛС. В научно-технической литературе указанные задачи рассматриваются как самостоятельные направления исследований. Однако в технологическом процессе они взаимосвязаны в определенной временной последовательности.

Основным критерием качества автомати�