Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ПО СТЫКУ СОЕДИНЕНИЯ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ В УСЛОВИЯХ КОМПЕНСАЦИИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Дружинина А.А. 1
1 ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Разработана методика расчета отклонений электронного пучка от оптической оси электронно-лучевой пушки, вызванных действием магнитных полей, при электронно-лучевой сварке изделий с остаточной намагниченностью, позволяющая оценить возможность получения качественных сварных соединений. Предложен метод автоматической компенсации влияния магнитных полей на точность позиционирования электронного пучка по стыку соединения при электронно-лучевой сварке. Метод предусматривает контроль отклонения электронного пучка от оптической оси пушки под действием продольной составляющей магнитной индукции поля остаточной намагниченности по рентгеновскому излучению из зоны сварки и введение в свариваемое изделие компенсирующего поля, равного по величине и имеющего обратную направленность. Представлена структурная схема системы автоматической компенсации магнитных полей. Произведен расчет динамической погрешности метода компенсации магнитных полей при электронно-лучевой сварке. Ошибка компенсации в корне шва не превышает допустимых значений.
электронно-лучевая сварка (ЭЛС)
магнитное поле
остаточная намагниченность
1. Дружинина А.А., Лаптенок В.Д., Мурыгин А.В. Повышение точности позиционирования по стыку соединения деталей с остаточной намагниченностью при электронно-лучевой сварке // Вестник СибГАУ. – 2014. – № 5.
2. Метод контроля влияния магнитных полей при электронно-лучевой сварке по рентгеновскому излучению из зоны обработки / А. А. Дружинина, В. Д. Лаптенок, А. В. Мурыгин, Ю. Н. Серегин // Вестник СибГАУ. – 2012. – № 5 (45). – С. 158–163.
3. Непорожний В. Ю. Устройство для компенсации остаточного магнитного поля при электронно-лучевой сварке толстолистовых сталей // Автоматическая сварка. – 1984. – № 3. – С. 68–70.
4. Разработка технологии электронно-лучевой сварки сталей с остаточной намагниченностью / Н. В. Александров, Е. Д. Бланк, Н. В. Вовченко и др. // Технологии и оборудование «ЭЛС-2014»: доклады III Санкт-Петербургской международной научно-технической конференции (Санкт-Петербург 24–26 июня 2014 г.). – СПб., 2014. – С. 141–149.
5. Управление электронно-лучевой сваркой / В. Д. Лаптенок, А. В. Мурыгин, Ю. Н. Серегин, В. Я. Браверман; под ред. В. Д. Лаптенка. – Красноярск.: САА, 2000. – 234 с.

Малая ширина сварного шва и большое отношение глубины и ширины шва при электронно-лучевой сварке требуют точного совмещения пучка электронов с плоскостью стыка свариваемых деталей. Погрешность позиционирования не должна превышать 0,1…0,3 мм.

Влияние магнитных полей, наводимых в свариваемом изделии, является одной из главных причин отклонения электронного пучка при электронно-лучевой сварке. Во многих случаях это влияние настолько сильно, что не позволяет осуществлять сварку без проведения дополнительных работ по размагничиванию.

Зависимость между отклонением пучка электронов от оси пушки и вызывающим это отклонение магнитным полем описывается уравнением [5]

, (1)

где x – отклонение пучка электронов от оптической оси пушки, м; B(z) – закон распределения по оси Z продольной составляющей индукции магнитного поля; m – масса электрона, кг;
e = 1,602·10 – 19 – заряд электрона, Кл; V – скорость движения электронов, м/с.

При сварке изделий из магнитных материалов имеют место поля остаточной намагниченности. Закон распределения продольной составляющей магнитной индукции поля остаточной намагниченности в рабочем пространстве пушка – свариваемое изделие (по оси Z) может быть с достаточной точностью описан уравнением [1]

, (2)

где B0 – величина магнитной индукции на поверхности свариваемого изделия вблизи стыка и в свариваемом изделии, Тл; δ – толщина изделия, м; l – расстояние от электронно-лучевой пушки до свариваемого изделия, м.

Даже при точном совмещении электронного пучка со стыком на поверхности свариваемых деталей могут возникнуть отклонения в корне шва, зависящие от угла ψ наклона касательной к траектории пучка, определяемого выражением [5]

. (3)

Отклонение электронного пучка в корне шва может быть рассчитано по формуле

. (4)

Подставляя выражение (2) в формулы (3) и (1) и интегрируя по z, получим выражения для определения угла наклона ψ траектории пучка и отклонения x пучка электронов от оси электронно-лучевой пушки при сварке изделий с остаточной намагниченностью:

(5)

(6)

Зная величину отклонения пучка от оси электронно-лучевой пушки, нетрудно рассчитать значение индукции поля намагниченности на поверхности изделия вблизи стыка.

Используя формулы (5) и (4), были рассчитаны углы наклона касательной к траектории пучка электронов и отклонения εк в корне шва при сварке деталей различной толщины в условиях действия магнитных полей (таблица 1).

Таблица 1

Отклонения электронного пучка при сварке изделий с остаточной намагниченностью

δ, мм

50

100

150

B0, мТл

ψ, рад

εк, мм

ψ, рад

εк, мм

ψ, рад

εк, мм

0,94

0,0662

3,3

0,099

9,9

0,1215

18,2

0,5

0,0352

1,8

0,0526

5,3

0,0646

9,7

0,4

0,0282

1,4

0,0421

4,2

0,0517

7,8

Результаты расчетов показывают, что полученные отклонения в корне шва не позволяют производить электронно-лучевую сварку без принятия мер по предотвращению влияния на электронный пучок полей остаточной намагниченности свариваемых деталей.

Для устранения влияния магнитных полей на электронный пучок в процессе электронно-лучевой сварки предложена система автоматической компенсации магнитных полей в зоне обработки. Система предусматривает измерение отклонения пучка электронов от оптической оси электронно-лучевой пушки, вызванное продольной составляющей индукции магнитного поля в пространстве электронно-лучевая пушка – свариваемое изделие, и введение компенсирующего поля встречной направленности в свариваемое изделие с помощью электромагнитных устройств. Для контроля отклонения электронного пучка от оптической оси электронно-лучевой пушки используется коллимированный рентгеновский датчик, размещенный на электронно-лучевой пушке. Выходной сигнал датчика обрабатывается по методу синхронного детектирования. Для этого используется технологическое сканирование электронного пучка поперек стыка [2].

Структурная схема системы автоматической компенсации магнитных полей, действующих на электронный пучок, представлена на рисунке 1. Передаточная функция системы имеет вид:

. (7)

 

Рис. 1. Структурная схема системы автоматической компенсации: WИУ(p) – передаточная функция измерительного устройства; WИ(p) – передаточная функция интегратора; Wэм(p) – передаточная функция электромагнита; BП(z) – магнитная индукция поля помехи, направленная вдоль стыка; BК(z) – компенсирующее магнитное поле; ε0 – отклонение пучка электронов от оптической оси электронно-лучевой пушки; xп – отклонение пучка, вызванное действием магнитного поля помехи; xк – отклонение пучка, вызванное действием компенсирующего магнитного поля

Передаточная функция разомкнутой системы представляет собой последовательное соединение измерительного устройства, интегратора и электромагнита:

. (8)

Передаточная функция измерительного устройства, состоящего из рентгеновского датчика, избирательного усилителя, настроенного на частоту сканирования ωск по координате x, и демодулятора, WИУ(p) может быть представлена в виде [3]:

, (9)

где KИУ(p) – общий коэффициент усиления измерительного устройства; n – число резонансных каскадов избирательного усилителя; Ti – постоянная времени i-го каскада избирательного усилителя:

,

где Qi – добротность i-го резонансного каскада усилителя.

Полоса пропускания избирательного усилителя, настроенного в резонанс на частоте сканирования ωск, выбирается такой, чтобы все остальные составляющие, кратные частоте сканирования, подавлялись с коэффициентом ослабления не менее 40 дБ [5]. Принимая число избирательных каскадов усилителя n = 2 при T1 = T2 и добротность каждого каскада Q = 100, получим передаточную функцию измерительного устройства

. (10)

Передаточная функция электромагнита представляет собой инерционное звено первого порядка

, (11)

где Kэм – коэффициент передачи электромагнита; Tэм – постоянная времени электромагнита.

Передаточные функции интегратора имеет вид:

. (12)

Подставив (10), (11), (12) в (8), получим передаточную функцию разомкнутой системы:

, (13)

где – общий коэффициент усиления системы.

Коэффициент K определяется, исходя из требований к точности управления: максимальная ошибка следящей системы (максимальное допустимое отклонение луча от оптической оси пушки) xmax ≤ 0,1 мм; максимальная амплитуда входного сигнала εmax = 15 мм при максимальной частоте ωmax = 0,1 рад/с.

Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) L(ω) системы в области низких частот должна быть расположена не ниже контрольной точки Aк с координатами:

, . (14)

Координаты контрольной точки Ак согласно выражению (14):

рад/с, дБ.

Построим низкочастотный участок логарифмической амплитудно-частотной характеристики (рисунок 2), проходящей выше контрольной точки Ак с наклоном –20 дБ/дек.

Коэффициент усиления системы K определяется по формуле:

, (15)

где L(1) – значение ЛАЧХ при частоте ω = 1 рад/с.

Рис. 2. К определению коэффициента усиления системы

Значение ЛАЧХ при частоте ω = 1 рад/с L(1) ≈ 23,8 дБ. Подставляя L(1) в (15), определим коэффициент усиления системы:

.

Определим динамическую ошибку по формуле:

,

где νmax – максимальная скорость изменения входного сигнала; K – коэффициент усиления системы.

В условиях сварочного производства возможны критические магнитные поля, при которых отклонение пучка электронов от оптической оси пушки составляет до 15 мм [4]. При скорости сварки 30 м/ч и длине шва 500 мм частота магнитного поля помехи равна ωп = 0,1 рад/с.

Если на вход системы поступает воздействие , то скорость , а максимальная скорость .

Динамическая ошибка составит:

мм.

Такая ошибка возникает при полной компенсации магнитного поля помехи, то есть в центре канала проплавления (на глубине δ/2). Учитывая форму и размеры канала проплавления, в неблагоприятном случае полная компенсация возможна на глубине канала проплавления, равной δ/3. Угол отклонения пучка электронов от оптической оси пушки, приводящий к такому смещению, равен:

.

В корне шва такой угол вызовет ошибку, равную

мм.

Таким образом, ошибка метода составляет 0,2904 ≤ 0,3 мм и не превышает допустимого отклонения электронного пучка от плоскости стыка.

Магнитное поле помехи, приводящее к отклонению электронного пучка от оптической оси пушки, будет уменьшено за счет компенсации в 15/0,2904≈50 раз.

В таблице 2 приведены углы наклона касательной к траектории пучка электронов и отклонения εк в корне шва при компенсации влияния поля остаточной намагниченности свариваемых деталей различной толщины.

Таблица 2

Отклонения пучка от стыка в условиях автоматической компенсации магнитных полей

δ, мм

50

100

150

B0, мТл

ψ, рад

εк, мм

ψ, рад

εк, мм

ψ, рад

εк, мм

0,94

0,0013

0,066

0,0020

0,198

0,0024

0,3645

0,5

0,0007

0,035

0,0011

0,105

0,0013

0,1939

0,4

0,0006

0,028

0,8423

0,084

0,0010

0,1551

Как видно из полученных результатов, для большинства случаев электронно-лучевой сварки деталей с остаточной намагниченностью применение системы автоматической компенсации магнитных полей позволяет получить качественные сварные соединения с погрешностью в корне шва, не превышающей 0,3 мм.

Таким образом, разработанная методика расчета отклонений электронного пучка от оптической оси электронно-лучевой пушки под действием полей остаточной намагниченности свариваемого изделия позволяет оценить возможность получения качественных сварных соединений. Использование в промышленности предлагаемой системы автоматической компенсации влияния магнитных полей на отклонение электронного пучка позволяет производить качественную сварку изделий из магнитных материалов без предварительного размагничивания.

Рецензенты:

Белолипецкий В.М., д.ф.-м.н., профессор, заведующий отделом Вычислительных моделей в гидрофизике, Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск;

Саханский С.П., д.т.н., профессор кафедры Информационно-управляющих систем, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева», г. Красноярск.


Библиографическая ссылка

Дружинина А.А. АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ПО СТЫКУ СОЕДИНЕНИЯ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ В УСЛОВИЯХ КОМПЕНСАЦИИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=18283 (дата обращения: 07.03.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074