Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Экспериментальные исследования частотно-временной структуры информационных сигналов вторичных токов в плазме, собираемых положительным электродом в пространстве над сварочной ванной при электронно-лучевой свар
1.1. Методика проведения исследований
1.2. Результаты спектрального анализа электронного тока в плазме над зоной электронно-лучевой сварки
1.3. Временная структура сигнала вторичного тока в плазме при электронно-лучевой сварке
1.4. Применение вейвлет-анализа сигналов вторичного электронного тока в плазме для исследования процесса электронно-лучевой сварки
1.5. Механизм формирования высокочастотных колебаний сигнала вторичного тока в плазме
Выводы по главе 1
ГЛАВА 2. Исследование формирования сигнала ВТО ричного тока в плазме при электронно-лучевой сварке с осцилляцией 78
2.1. Вторичный сигнал электронного тока в плазме при электроннолучевой сварке с периодическими воздействиями 78
2.2. Применение метода когерентного накопления для исследования процесса электронно-лучевой сварки с периодическими воздействиями на электронный луч 84
2.3. Формирование вторичного сигнала при электронно-лучевой сварке разнородных материалов 101
2.4. Модель, описывающая формирование вторичного сигнала при электронно-лучевой сварке разнородных материалов 107
2.5 Исследование формирования ионного тока при электронно-лучевой сварке с периодическими воздействиями 117
Выводы по главе 2 120
ГЛАВА 3. Особенности формирования сварного шва при периодических воздействиях на параметры электронного луча 123
3.1. Исследование влияния осцилляции на геометрические параметры зоны проплавлення при электронно-лучевой сварке 127
3.2. Статистическое моделирование влияния параметров осцилляции на геометрию проплавлення при электронно-лучевой сварке 138
3.3. Влияние на параметры проплавлення сканирования фокусировки при электронно-лучевой сварке 146
Выводы по главе 3 154
ГЛАВА 4. Моделирование формирования сигналатока несамостоятельного разряда в плазме при электронно-лучевой сварке 157
4.1. Описание математической модели 157
4.2. Граничные условия 163
4.3. Плазмохимические реакции 165
4.4. Скорости плазмохимических реакций 166
4.5. Результаты вычислений параметров плазмы в отсутствии положительного коллектора 168
4.6. Результаты моделирования параметров плазмы при возбуждении несамостоятельного разряда 173
4.7. Взаимосвязь геометрии канала проплавлення с величиной вторично го электронного тока в плазме 178
Выводы по главе 4 190
ГЛАВА 5. Разработка моделей и методов управления процессом электронно-лучевой сварки по параметрам сигнала вторичного тока в плазме
5.1. Модель формирования вторичного сигнала при электронно-лучевой сварке с поперечной осцилляцией электронного луча для управления процессом электронно-лучевой сварки
5.2. Модель формирования сигнала вторичного тока в плазме при электронно-лучевой сварке со сканированием фокуса для управления процессом электронно-лучевой сварки
5.3. Изменение параметров тока несамостоятельного разряда в плазме при электронно-лучевой сварке с продольной осцилляцией электронного луча
5.4. Управление режимом сквозного проплавлення при электроннолучевой сварке Выводы по главе 5 192
ГЛАВА 6. Постановка обратной задачи реконструк ции формы канала проплавлення по параметрам вторично-эмиссионных сигналов для управления процессом электронно-лучевой сварки 246
6.1. Основные понятия в теории обратных задач 247
6.2. Постановка прямой задачи, описывающей взаимосвязь параметров вторичного сигнала с формой канала проплавлення 250
6.3. Постановка обратной задачи реконструкции формы канала проплавлення 252 6.4. Исследование требований условной корректности обратной задачи реконструкции формы канала проплавлення по параметрам вторично-эмиссионных сигналов 254
6.5. Методы обеспечения устойчивости решения обратной задачи 257
6.6. Алгоритм реконструкции формы канала проплавлення по параметрам вторично-эмиссионных сигналов 262
Выводы по главе 6 271
ГЛАВА 7. Техническая реализация средств управления технологическим процессом электроннолучевой сварки
7.1. Автоматическое управление режимом фокусировки электронного
луча по параметрам вторичного электронного тока в плазме
7.2. Управление фокусировкой при электронно-лучевой сварке с осцилляции луча
7.3. Разработка системы управления режимом сквозного проплавлення при электронно-лучевой сварке
7.4. Управление геометрическими параметрами канала проплавлення при электронно-лучевой сварке
Выводы по главе
Заключение
Список литературы...
- Применение вейвлет-анализа сигналов вторичного электронного тока в плазме для исследования процесса электронно-лучевой сварки
- Формирование вторичного сигнала при электронно-лучевой сварке разнородных материалов
- Статистическое моделирование влияния параметров осцилляции на геометрию проплавлення при электронно-лучевой сварке
- Результаты вычислений параметров плазмы в отсутствии положительного коллектора
Введение к работе
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) широко используется в таких высокотехнологичных отраслях промышленности, как энергетическое машиностроение и аэрокосмическая промышленность. Это обусловлено возможностью получения при ЭЛС режимов глубокого проплавления, когда достигается большое отношение глубины сварного шва к его ширине, а деформации металла и ширина зоны термического влияния минимальны.
Исследованиям механизмов и закономерностей проплавления, без знания которых невозможно использование электронных пучков при обработке материалов, посвящено большое количество работ. Значительный вклад в изучение процессов, сопровождающих ЭЛС, внесли такие ученые, как Н.Н. Рыкалин, В.В. Башенко, Н.А. Ольшанский, И.В. Зуев, О.К. Назаренко, А.А. Кайдалов, Е.А. Миткевич, Г.И. Лесков, В.М. Нестеренков, Ю.Н. Ланкин, В.К. Драгунов, В.М. Язовских, Г.А. Туричин, К.С. Акопьянц, С.В. Селищев, G.M. Mladenov, Y. Arata, K.O. Mauer и др.
До сих пор актуальной остается проблема автоматизации процесса ЭЛС. Формирование сварного шва при ЭЛС представляет собой сложный процесс, являющийся результатом совместного действия множества факторов, обусловленных воздействием на свариваемые материалы мощного концентрированного источника энергии – электронного луча. Характерными являются проблемы, связанные со сложностью воспроизведения качественных сварных швов, несмотря на стабилизацию всех электрических характеристик питающих устройств электроннолучевых агрегатов. Ряд технологических параметров ЭЛС до сих пор регулируется оператором вручную на основе визуального контроля. ЭЛС зачастую применяется при изготовлении особо ответственных узлов сложных дорогостоящих изделий (детали авиационных газотурбинных двигателей, космические аппараты, шестерни редукторов вертолетов и т.д.), и возникающие дефекты, например, обусловленные неправильным выбором режима фокусировки, могут иметь катастрофические последствия. Низкая воспроизводимость сварных швов приводит также к большим припускам на последующую механическую обработку, что приводит к значительному удорожанию продукции и снижает показатели энергоэффективности. Автоматизация процесса ЭЛС может не только решить указанные проблемы, но и значительно снизить затраты на отработку технологий, что дополнительно позволяет снизить себестоимость всей продукции в целом.
Основные принципы построения автоматизированных систем управления процессом ЭЛС изложены в работах В.В. Башенко, О.К. Назаренко, Ю.Г. Куцана, В.Д. Лаптенка, Э.А. Гладкова, В.Я. Беленького, А.В. Мурыгина, В.Н. Ластовири, В.Я. Бравермана, K.-O. Mauer, H. Eggers и др.
Эффективное управление процессом ЭЛС может быть осуществлено при реализации оперативного контроля параметров взаимодействия электронного пучка
с металлом. Перспективным решением является использование вторично-эмиссионные методов, связанных с регистрацией токов, протекающих в цепи электродов, устанавливаемых над зоной сварки. Параметры этих сигналов тесно связаны с физическими процессами в канале проплавления, что открывает возможности для управления технологическим процессом ЭЛС для повышения стабильности и воспроизводимости качества сварных соединений
Достаточно полно исследована связь сопутствующего рентгеновского излучения с технологическими параметрами электронно-лучевой сварки. Работы в этом направлении до сих пор активно продолжаются В.Д. Лаптенком, А.В. Мурыги-ным, В.Я. Браверманном. Получен целый ряд практических результатов по контролю наведения электронного луча на стык и автоматическому управления глубиной проплавления при сварке алюминиевых сплавов. В то же время остается ряд нерешенных проблем. Существующие сегодня методы управления режимом фокусировки основаны на исследовании распределения плотности пучков с помощью специальных датчиков и алгоритмов компьютерной томографии и требуют периодического прерывания процесса, что делает их применение непосредственно в процессе сварки затруднительным. При разработке систем стабилизации про-плавления при ЭЛС используют аппроксимацию формы канала проплавления некоторой функцией. Ошибочное принятие априорной формы канала проплавления может привести к неконтролируемой ошибке регулирования. Восстановление формы проплавления по параметрам вторичного сигнала является обратной задачей. Постановка и решение обратных задач, кроме использования специальных алгоритмов, сходных с применяемыми в томографии, в обязательном порядке требуют исследования их условной корректности, выбора класса условий, образующих компакт, определения условий, при выполнении которых решение обратной задачи единственно.
Перспективным является применение методов, основанных на измерении параметров электронных и ионных токов, протекающих в цепи электрода, расположенного над зоной сварки. Работы, посвященные анализу данных сигналов и определению их корреляции с параметрами процесса, продолжаются на протяжении многих лет, однако до настоящего времени интерпретация экспериментального материала представляет значительные трудности и не всегда однозначна. Сведения о корреляционных зависимостях, установленных между состоянием процесса и информационными сигналами, часто носят противоречивый характер, что можно объяснить различными способами обработки информации, а также тем, что физические процессы формирования сигналов изучены не достаточно для адекватного анализа. Сигнал тока в плазме имеет сложный стохастический характер, вместе с тем введение периодических воздействий на электронный луч, таких как осцилляция луча в горизонтальной плоскости или сканирование фокуса вдоль вертикальной оси, должно приво-4
дить к упорядочиванию. В этом случае становится возможным применение таких методов фильтрации, как синхронное детектирование, что облегчает анализ и позволяет разработать новые методы управления.
Цель исследования – создание научно-обоснованных решений по автоматизации технологического процесса электронно-лучевой сварки с использованием в качестве информационных сигналов параметров вторичного тока в плазме над зоной воздействия электронного луча, обеспечивающих повышение воспроизводимости качества получаемых сварных соединений.
Объектом исследования является автоматизация процесса электроннолучевой сварки.
Предметом исследования являются решения по автоматизации процесса ЭЛС, использующие в качестве информационных сигналов параметры вторичных токов в плазме, экспериментальные закономерности и модели формирования сигналов при периодических воздействиях на луч, алгоритмы и средства автоматического регулирования режима фокусировки и проплавления при электроннолучевой сварке.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
-
Экспериментально исследовать механизм формирования информационного сигнала вторичного тока в плазме с учетом временной структуры процессов при ЭЛС.
-
Исследовать формирование информационного сигнала вторичного тока в плазме при периодических воздействиях на электронный луч при сварке в зависимости от параметров технологического процесса ЭЛС.
-
Исследовать влияние применяемых при автоматизации технологического процесса ЭЛС периодических воздействий на качество формирования сварного шва, разработать рекомендации по выбору их вида и параметров.
-
Построить математическую модель объекта управления, описывающую возникновение сигнала тока несамостоятельного разряда в плазме при вторично-эмиссионных процессах в зоне ЭЛС и связь этого сигнала с процессами в канале проплавления и его геометрическими характеристиками.
-
Построить модели для автоматизации процесса ЭЛС, описывающие закономерности формирования сигнала вторичного тока в плазме в условиях периодического воздействия на электронный луч.
-
Предложить постановку обратной задачи реконструкции формы канала проплавления по параметрам вторичных сигналов, сформулировать требования условной корректности, построить алгоритмы реконструкции формы канала про-плавления при ЭЛС по параметрам вторичных сигналов.
-
Построить имитационные модели отдельных модулей, определить алгоритмы и основные принципы построения автоматизированных систем управления
процессом ЭЛС по параметрам вторичных сигналов в плазме, разработать образец системы.
Методология и методы научных исследований. В ходе выполнения работы использовался широкий спектр методов: методы теории вероятностей и математической статистики, в том числе методы планирования эксперимента и методы Монте-Карло; положения теории физики плазмы, тепломассопереноса, теоретических основ электротехники и автоматического управления, аналитические и численные методы математического моделирования. При проведении расчетов использовались прикладные программные пакеты Matlab, Matlab Simulink, Comsol Multiphysics, Mathcad. Экспериментальные исследования проводились на действующем технологическом оборудовании.
Обоснованность и достоверность научных результатов подтверждаются корректностью принимаемых допущений, обоснованностью методов исследований и сопоставлением результатов моделирования с экспериментальными данными, полученными на действующих технологических установках.
Научная новизна работы:
-
Установлен механизм формирования высокочастотных колебаний в плазме, имеющих ионно-звуковую природу и модулирующих информационный сигнал вторичного электронного тока в плазме, наличие которых необходимо учитывать при разработке методов управления процессом ЭЛС;
-
Установлено, что при ЭЛС с осцилляцией луча или сканированием фокуса при обработке сигнала вторичного тока в плазме методом синхронного накопления обнаруживается фазовый сдвиг сигнала относительно тока отклоняющих катушек, величина которого зависит от режима фокусировки.
-
Впервые построена математическая модель, позволяющая описать формирование сигналов электронных и ионных токов несамостоятельного разряда в плазме и связь этих сигналов с геометрическими параметрами канала проплав-ления при ЭЛС и с положением луча в канале проплавления.
-
Построены модели, описывающие изменение амплитудных и фазовых параметров сигнала вторичного электронного тока в плазме при ЭЛС с периодическими воздействиями в зависимости от параметров технологического режима.
-
Впервые для автоматизации процесса ЭЛС сформулирована обратная задача реконструкции формы канала проплавления по параметрам вторично-эмиссионных сигналов, осуществлено исследование требований условной корректности и предложен алгоритм ее решения.
-
Разработаны алгоритмы и методы автоматизации управления фокусировкой и проплавлением при ЭЛС с периодическими воздействиями, использующие фазовые параметры сигнала вторичного тока в плазме, что повышает надежность регулирования за счет снижения влияния расположения и размеров датчиков.
Теоретическая значимость. Установлен механизм формирования высокочастотных колебаний в плазме, имеющих ионно-звуковую природу и модулирующих информационный сигнал вторичного электронного тока в плазме, наличие которых необходимо учитывать при разработке методов управления процессом ЭЛС. Разработана математическая модель, позволяющая описать формирование сигналов электронных и ионных токов несамостоятельного разряда в плазме и связь этих сигналов с геометрическими параметрами канала проплавления при ЭЛС и с положением луча в канале проплавления. Разработаны модели, описывающие изменение амплитудных и фазовых параметров сигнала вторичного электронного тока в плазме при ЭЛС с периодическими воздействиями в зависимости от параметров технологического режима. Осуществлена постановка обратной задачи реконструкции формы канала проплавления по параметрам вторичных сигналов, сформулированы требования условной корректности, построены алгоритмы реконструкции формы канала проплавления при ЭЛС по параметрам вторичных сигналов.
Практическая значимость работы и внедрение результатов работы. В результате проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований разработаны решения по автоматизации технологического процесса ЭЛС, обеспечивающие повышение воспроизводимости получаемых сварных швов.
Разработаны методы управления режимом фокусировки электронного луча в процессе ЭЛС с периодическими воздействиями на луч электронов. Разработан метод управления процессом ЭЛС с полным проплавлением по параметрам вторичного тока в плазме, образующейся с обратной стороны свариваемого изделия. Параметром, использующимся в этом методе, является усредненная ширина канала проплавления в корневой части.
Разработанные методы и специальные системы используются при изготовлении ответственных изделий на машиностроительных предприятиях и предприятиях аэрокосмической отрасли (ОАО «ПО „Муромский машиностроительный завод“», ОАО «Протон-ПМ», ОАО «Машиностроитель»). В промышленной эксплуатации (ОАО «Пермский моторный завод») находятся системы управления режимом фокусировки электронного луча относительно уровня, соответствующего максимальной глубине проплавления с регистрацией параметров вторичного тока в плазме. Использование разработанных систем оперативного управления повышает воспроизводимость качества сварных соединений и снижает затраты на отработку технологий, что существенно повышает показатели энергоэффективности.
Предприятие ООО «ТэТа» (г. Томск) распространяет разработанные в ходе диссертационного исследования системы в составе производимых им установок для ЭЛС. Продажей разработанных систем готовы заниматься представители зарубежной компании EB Industries (Нью-Йорк, США).
Поддержка работы. Диссертационная работа выполнялась в Пермском национальном исследовательском политехническом университете (ПНИПУ). Часть проведенных исследований выполнялась в рамках грантов РФФИ, а также в рамках совместного проекта с Институтом электроники Болгарской академии наук при поддержке, в том числе финансовой, со стороны Минобрнауки России в рамках базовой части и Министерства образования Пермского края. Некоторые результаты получены при выполнении работ по договорам с российскими предприятиями. В рамках программы «Старт 13 Н4» созданы системы управления проплавлением и режимом фокусировки электронного луча при ЭЛС.
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 36 печатных работах. Из них 23 в изданиях, рекомендованных ВАКом РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук и в изданиях, входящих в базы цитирования Scopus, Web Of Science. Получено 7 патентов на изобретения. Опубликованы монография и две главы в монографиях (в том числе глава в монографии, опубликованной издательством Springer).
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях и симпозиумах, начиная с 2001 г. В их числе: 3-я Всероссийская научно-техническая конференция «Компьютерные технологии в соединении материалов», Тула, 2001 г., Тульский государственный университет; всероссийская с международным участием научно-техническая конференция «Сварка и контроль – 2001», Воронеж, 25– 28 сентября 2001 г.; 21-я научно-техническая конференция сварщиков Уральского региона «Сварка Урала – 2002», Курган, 2002 г., Курганский государственный университет; конференция сварщиков Уральского региона «Сварка Урала – 2003», Киров: Вятский государственный университет, 2003; международная конференция «Современные проблемы сварки и ресурса конструкций», Киев, ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины, 2003 г.; международный симпозиум «Сварка и родственные технологии. Расчет, проектирование и оценка остаточного ресурса конструкций ответственного назначения», Минск, 2003 г; 1-я, 2-я и 3-я Международные научно-технические конференции «Технологии и оборудование электронно-лучевой сварки», Санкт-Петербург, 2008, 2011, 2014 гг.; 10-я, 11-я Международные конференции «Electron Beam Technologies», г. Варна, Болгария, 2012,
-
гг.; международная конференция «International Welding /Joining Conference-Korea 2012», г. Джеджу, Корея, 2012; Международные конференции «Лучевые технологии и применения лазеров – 2012, 2015», г. Санкт-Петербург, 2012;
-
гг.; международный симпозиум «Practical energy problems and trends in efficient technologies», г. София, Болгария, 2013 г.; международный симпозиум «The International Symposium on Visualization in Joining & Welding Science through Advanced Measurements and Simulation», г. Осака, Япония, 2012, 2014 гг.; международный конгресс «7th asia pacific iiw international congress on recent development in
welding and joining technologies», Сингапур, 2013 г.; международная конференция «9th International Conference Beam Technology», г. Галле, Германия, 2013 г.; международная конференция «Comsol Conference 2014 Cambridge», г. Кембридж, Великобритания, 2014 г.; международная конференция «Компьютерные технологии в соединении материалов – 2015», г. Тула, Тульский государственный университет, апрель 2015 г.; международная конференция «Электронно-лучевая сварка и смежные технологии» 17–19 ноября 2015 г., г. Москва, Национальный исследовательский университет – МЭИ.
На защиту выносятся следующие основные результаты, полученные соискателем:
– результаты экспериментального исследования взаимосвязи сигнала вторичного тока в плазме с технологическими параметрами при ЭЛС с помощью метода, основанного на применении синхронного накопления;
– закономерности формирования информационного сигнала вторичного тока в плазме и его высокочастотной составляющей в зависимости от технологических параметров процесса ЭЛС;
– механизм, описывающий формирование высокочастотной составляющей информационного сигнала вторичного тока в плазме над зоной воздействия электронного луча, наличие которой необходимо учитывать при разработке методов управления процессом ЭЛС;
– математическая модель, описывающая формирование сигналов электронных и ионных токов несамостоятельного разряда в плазме при ЭЛС;
– математические модели, описывающие изменение амплитудных и фазовых параметров сигнала вторичного электронного тока в плазме при ЭЛС с периодическими воздействиями в зависимости от параметров технологического режима;
– постановка и алгоритм решения обратной задачи реконструкции формы канала проплавления по параметрам вторично-эмиссионных сигналов для управления процессом ЭЛС;
– закономерности, описывающие управление формированием сварного шва посредством изменения параметров осцилляции и сканирования фокуса электронного луча;
– алгоритмы и методы автоматического управления режимом фокусировки луча при ЭЛС с периодическими воздействиями, использующие фазовые параметры сигнала вторичного тока в плазме;
– метод автоматического управления процессом ЭЛС с полным проплавлени-ем по параметрам вторичного сигнала с обратной стороны свариваемого изделия, использующий для увеличения стабильности результатов фазовые соотношения.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 356 страниц машинописного текста, включая 184 рисунка, 24 таб-
лицы и 270 наименований литературных источников. В приложении приведены акты использования результатов диссертационного исследования на российских машиностроительных предприятиях и предприятиях аэрокосмической отрасли.
Соответствие научной специальности. Исследования, проводимые в рамках диссертационной работы, полностью соответствуют областям, приведенным в паспорте специальности 05.13.06 –Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность), а именно:
-
Автоматизация производства заготовок, изготовления деталей и сборки.
-
Методология, научные основы и формализованные методы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) и производствами (АСУП), а также технической подготовкой производства (АСТПП) и т. д.
-
Теоретические основы и методы математического моделирования организационно-технологических систем и комплексов, функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация.
-
Научные основы, модели и методы идентификации производственных процессов, комплексов и интегрированных систем управления.
Применение вейвлет-анализа сигналов вторичного электронного тока в плазме для исследования процесса электронно-лучевой сварки
Ток несамостоятельного разряда в плазме представляет особый интерес с точки зрения использования его параметров для управления процессом сварки. Это обусловлено тем, что поток электронов с изделия имеет термическую природу, а проводящей средой служит плазма, образующаяся в зоне ЭЛС, вследствие чего величина тока в плазме и характер его изменения во времени определяется как температурами в области соударения электронного луча с металлом, так и характеристиками плазмы в канале проплавлення и вакуумной камере электронно-лучевой установки.
Колебания параметров плазмы отражают колебательные процессы в системе «электронный луч-канал проплавления-плазма». К числу этих процессов можно отнести автоколебательное перемещение области соударения электронного луча с металлом по передней стенке канала и автоколебательный процесс [49-52], сопровождающийся перегревом металла, с сопутствующими вскипаниями и экранировками луча [52-57]. Определение частотной структуры вторично-эмиссионных сигналов важно для определения постоянных времени физических явлений, имеющих место при электронно-лучевом воздействии.
Беленьким В.Я. были научно обоснованы методы исследования процесса ЭЛС по сигналу тока несамостоятельного разряда в плазме, протекающего в цепи коллектора, находящегося под положительным потенциалом относительно свариваемого изделия [18-19, 34,58-59]. Сигнал электронного тока в плазме (обусловленный термоэлектронным токам) оказался более информативным в сравнении с другими типами сигналов. Несмотря на ограничение применяемых методов измерения и анализа экспериментально было найдено множество зависимостей, связывающих сигнал и параметры сварочного процесса. В сигнале плазмы было выделено две составляющие - с частотами порядка 500 Гц и частотами более 5 кГц, отражающие, по мнению исследователей, упомянутые колебания зоны взаимодействия по глубине и взрывные вскипания [18, 54-57]. Оказалось, что их амплитуды и частоты интегрально связаны с режимом фокусировки электронного луча. Отмечался стохастический характер этих колебаний [59]. В исследованиях приводятся данные только для высоколегированных сталей. При измерении и анализе применялись счетчики сигналов, записывающие осциллографы, аналоговые фильтры и т.д. Составляющие исследовались очень грубо. Эти недостатки привели к тому, что многие поднятые вопросы так и остались дискуссионными. Так осталась не выявленной природа возникающих высокочастотных колебаний. Не до конца изучены закономерности формирования сигнала в плазме при ЭЛС с периодическими воздействиями. Современное оборудование позволяет провести исследования на новом уровне. Системы регистрации данных с высокоскоростными аналого-цифровыми преобразователями дают возможность получить гораздо больше информации, чем ранее.
При проведении экспериментов сваривались образцы из хромомолибденовой стали 15Х5М, высоколегированных хромоникелевых сталей 12Х18Н10Т и 07Х12НМ5Ф-Ш, из титанового сплава ОТ4, алюминиевого сплава АМгб, меди и хромистой бронзы бронзы БрХ08 при ускоряющем напряжении 60 кВ и скоростях сварки 5-25 мм/с. Глубина проплавлення составляла от 7 до 37 мм. Давление остаточного газа в камере поддерживалось на уровне 10 2 Па. Рабочая дистанция в большинстве экспериментов составляла 100-350 мм. і
В качестве коллектора электронов использовался стандартный кольцевой коллектор, установленный над зоной сварки, на который через сопротивление нагрузки 50 Ом подавалось положительное напряжение 50 В (рисунок 1). Сигнал с коллектора регистрировался для дальнейшей компьютерной обработки.
На рисунке 1.2 представлен участок спектра вторичного электронного тока в плазме при ЭЛС титанового сплава ОТ4 в диапазоне частот от 0 до 2 кГц. В работах [46, 59-61] этот диапазон частот связывают с автоколебательным движением области соударения электронного луча с металлом по передней стенке канала проплавлення. Область соударения электронного луча с металлом в канале проплавлення является источником интенсивного потока термоэлектронов, и ее перемещение по передней стенке канала приводит к соответствующим колебаниям величины тока несамостоятельного разряда в плазме. Изменение величины тока несамостоятельного разряда при углублении электронного луча в работе [61] связывают с уходом медленных электронов на стенки канала в процессе их диффузионного движения в плазме, при этом амплитуда колебаний тока несамостоятельного разряда в плазме с частотой 200-2000 Гц коррелирует с глубиной канала проплавлення.
Формирование вторичного сигнала при электронно-лучевой сварке разнородных материалов
На рисунке 2.1 приведена спектрограмма, полученная после обработки записи тока коллектора при сварке с модуляцией мощности луча частотой 430 Гц [98]. Видно, что при введении модуляции мощности электронного луча спектр записанного сигнала приобретает характерный линейчатый вид с максимумом спектральной плотности на частоте модуляции. При введении модуляции мощности электронного луча осциллограмма вторичного тока приобретает упорядоченный вид (рисунок 2.2), и в спектре сигнала появляется пик спектральной плотности на частоте модуляции (рисунок 2.1). S, отн.ед Гтт
Гипотеза о пропорциональности вторичного тока мощности электронного луча не может дать объяснения всем особенностям изменения параметров тока коллектора при введении модуляции[98]. При введении периодически изменяющегося параметра воздействия имеет место синхронизация с этим изменением автоколебательных процессов в канале проплавлення [99]. При этом существуют определенные частоты модуляции, зависящие от технологических параметров процесса, при которых происходит наиболее полная синхронизация указанных процессов с изменением мощности электронного луча. О наличии полной (преимущественной) синхронизации или об ее отсутствии можно судить по характеру спектрограмм токов коллектора, по амплитуде сигнала на частоте модуляции и геометрическим характеристикам полученного сварного шва.
В проведенных в работах[98-99] экспериментах в зависимости от параметров процесса ЭЛС частичная или полная синхронизация происходила при модуляции мощности с частотами от 230 до 1000 Гц. Сравнение частотных диапазонов процессов, происходящих в канале проплавлення, и изменений мощности луча при его модуляции позволяет предположить, что с периодическим изменением тока луча синхронизируются процессы колебательного перемещения зоны его взаимодействия с металлом по глубине канала проплавлення. Причем моментам времени, когда луч взаимодействует с нижними участками канала проплавлення, соответствуют моменты максимальной мощности луча. Взаимодействие с верхними участками происходит, когда ток луча минимален.
Аналогичная ситуация наблюдается и при введении осцилляции электронного луча. Появляется некоторая упорядоченность, и "всплески" вторичного тока следуют периодически с частотой, кратной частоте осцилляции (рисунок 2.3,а). Каждый всплеск при регистрации вторичного электронного тока коллектором, расположенным на некотором удалении от зоны сварки, представляет собой серию высокочастотных квазипериодических импульсов (рисунок 2.3,6). В низкочастотной области спектра при ЭЛС с периодическими воздействиями появляются пики на частотах, кратных частотам воздействия (рисунок 2.4).
При этом характер спектров зависит от типа осцилляции и технологических параметров сварки. Так при сварке с поперечной осцилляцией превалирует вторая гармоника (рисунок 2.4), что является ожидаемым фактом. При сварке вдоль стыка присутствуют как первая, так и вторая гармоники, при этом их соотношение зависит от технологических параметров процесса ЭЛС и параметров осцилляции. Аналогичная ситуация наблюдается при сварке по растровой траектории.
При сварке по Х-образной траектории (рисунок 2.5) в основном превалирует вторая гармоника, при сварке по круговой траектории - первая. При этом на некоторых режимах при ЭЛС с круговой осцилляцией в спектре вторичного сигнала линии на частоте кратной частоте воздействия становится практически незаметными на общем фоне (рисунок 2.6). Щ щ тм мш
Интерпретация экспериментального материала затруднена. При одном и том же виде осцилляции встречаются различные кратные гармоники. Их величина зависит от параметров процесса и параметров осцилляции. Если попытки создания модели формирования сигнала вторичного тока в плазме при ЭЛС с модуляцией мощности электронного луча известны [98], то до последнего времени попыток описать это же явление при ЭЛС с осцилляцией электронного луча не производилось. Спектральный анализ, несмотря на все преимущества, не является достаточно информативным при анализе вторичных сигналов в условиях периодических воздействий. Необходимы методы, позволяющие получить информацию о процессах в канале проплавлення при ЭЛС с осцилляцией электронного луча и проанализировать синхронизацию импульсов вторичного тока с колебаниями луча в канале проплавлення. Эта информация очень важна для понимания механизма формирования вторичного сигнала при ЭЛС, а также, для научного обоснования и выбора методов управления ЭЛС по параметрам тока в плазме и видов осцилляции.
Статистическое моделирование влияния параметров осцилляции на геометрию проплавлення при электронно-лучевой сварке
При проведении исследований, для того чтобы получить наиболее общие результаты, на первом (описываемом) этапе использовались развертки луча по наиболее простым траекториям, продольной и поперечной [151-152]. Задающий сигнал варьировался, принимая пилообразную, синусоидальную и прямоугольную форму для поперечной развертки, и только пилообразную -для продольной. В связи с большим количеством факторов, применялось активное планирование эксперимента.
Варьировались амплитуда и частота осцилляции, ток фокусировки и режимы осцилляции. амплитуда развертки, f - частота осцилляции. Для каждого режима фокусировки, с помощью специально изготовленного модифицированного цилиндра фарадея [153], измерялось Сваривались стальные образцы, мощность 3 кВт, скорость 5 мм/с (глубина проплавлення статичным лучом 13-14 мм). Эксперименты с поперечной разверткой проводились двумя сериями, независимо для двух диапазонов частот (от 200 до 1600 Гц и от 5 до 50 кГц). Пределы варьирования факторов представлены в таблице 3.1, где AIJ-=IJ -Ifext Серия степень фокусировки, разница между токами фокусировки при сварке с осцилляцией и током фокусировки, обеспечивающим максимальную глубину, при сварке статичным лучом, 2А - размах, удвоенная положение минимального диаметра электронного луча.
Сваривали образцы из стали марки 15Х5М на электронно-лучевой сварочной установке ЭЛУ-бм с инверторным энергетическим агрегатом ЭЛА-60/15. Глубина проплавлення при фокусировке, близкой к оптимальной, составляла 13-15 мм. Далее изготавливались поперечные макрошлифы полученных швов, проводилось измерение основных геометрических параметров (глубина, ширина в средней и верхней частях и т.д.). Затем строились статистические модели, позволяющие глубже понять физические взаимосвязи геометрических параметров полученных швов с параметрами периодического воздействия. Для сравнения выполнялась серия экспериментов статическим лучом, во время которых менялся только ток фокусировки.
На рисунке 3.1 приведены некоторые из полученных зон проплавлення при ЭЛС статическим электронным лучом с вышеприведенными технологическими параметрами. Для всех зон проплавлення характерна кинжальная форма с острым пиком в корне шва. Также наблюдается наличие корневых дефектов.
В таблице 3.2 приведены геометрические параметры полученных зон проплавлення. Рисунок 3.2 поясняет принятые для величин в таблице 3.2. обозначения: Az - положение фокуса электронного луча относительно поверхности свариваемого образца; Н и B0t5B - глубина проплавлення и ширина в средней части (на половине глубины); Bsw - ширина шва в верхней части (ширина усиления); ВШАІ - ширина зоны термического влияния; 5о,5# - ширина в средней части, вычисленная как отношение площади зоны проплавлення к глубине.
Данные таблицы 3.2 демонстрируют незначительное влияние режима фокусировки на глубину проплавлення И (в пределах 14,5% в заданном диапазоне режимов фокусировки). На недофокусированном режиме (А//= -10
Зоны проплавлення при ЭЛС с осцилляцией вдоль стыка с частотой осцилляции /=630 Гц с удвоенной амплитудой 2А=1,4 мм на четырех режимах фокусировки: a) Jf= -10 мА; б) А//=0 мА; в) А//=+5 мА; в) AIf=+\9 мА. 130 На рисунке 3.3 и в таблице 3.3 представлены результаты проплавлений проплавлення заметно меняется с изменением режима фокусировки. На не до фокусированных режимах шов имеет практически параллельные стенки, с большим радиусом кривизны корня шва, корневые дефекты отсутствуют (рисунок 3.3,а). Зона термического влияния вблизи корня шва шире, что свидетельствует о меньшей величине температурных градиентов в этой области во время сварки. При острой фокусировке наблюдается типичная кинжальная форма проплавлення, как и при сварке статическим лучом (рисунок 3.3,6). Глубина проникновения луча (и глубина шва) увеличивается (таблицу 3.3). При поднятии фокуса к поверхности и выше (рисунок 3.3,в и рисунок 3.3,г.) наблюдается дополнительное (по сравнению со статическим лучом) увеличение полусферической верхней части зоны проплавлення.
В таблице 3.4 приведены режимы ЭЛС, параметры осцилляции и геометрические параметры полученных зон проплавлений для всей серии экспериментов с продольной осцилляцией, исключая описанные в таблице. 3.3 режимы. Геометрия зон проплавлення, полученных при различных технологических параметрах ЭЛС, представлена на рисунках 3.4, 3.5 и 3.6. Зоны проплавлення, приведенные на рисунке 3.4. получены на недофокусированном режиме (А//= -15 мА). Во всем диапазоне частот данный режим фокусировки характеризуется большим радиусом кривизны шва в нижней част
Результаты вычислений параметров плазмы в отсутствии положительного коллектора
В Главе 5, п.1 рассмотрена математическая модель формирования вторичного сигнала при ЭЛС с поперечной осцилляцией электронного луча. Показано, что в спектре вторичного сигнала появляется составляющая на удвоенной частоте осцилляции. Амплитуда этой гармоники зависит от режима фокусировки и принимает максимальное значение при токе фокусировки, обеспечивающем максимальную глубину проплавлення. Для использования данного сигнала при автоматическом управлении необходимо применять низкочастотное сканирование фокального пятна [186]. В этом случае появляется сигнал, который в некотором диапазоне пропорционален отклонению режима фокусировки от острой фокусировки. Зависимость данного сигнала от режима фокусировки обусловлена изменением геометрических параметров канала проплавлення, и низкочастотное сканирование фокального пятна отрицательно сказывается на качестве получаемых сварных швов. Кроме того постоянная времени регулирования в этом случае имеет принципиальное ограничение. При осцилляции фокального пятна необходимо частоту сканирования фокуса Q выбирать много меньшей частоты осцилляции ю. В свою очередь время интегрирования сигнала по (5.15), а значит и время регулирования должны быть на порядок больше величины периода сканирования фокуса 1/ П [186].
При построении систем автоматического управления режимом фокусировки естественно желание использовать высокочастотное сканирование фокального пятна [187]. В то же время формирование сигнала вторичного тока в плазме в этом случае до сих пор не является исследованным. В литературе до последнего времени отсутствовали данные о моделях, описывающих формирование вторичного сигнала при ЭЛС со сканированием фокуса электронного луча. В известных работах при построении экстремальных регуляторов используются зависимости, полученные при исследованиях в статическом режиме. В этом случае неизвестно обусловлен ли экстремальный характер зависимости электронного тока в плазме от тока фокусировки зависимостью от плотности потока энергии электронного луча, или он связан с изменением геометрии канала проплавлення. Как следствие, отсутствуют рекомендации по ограничениям, накладываемым на выбор частоты сканирования фокуса электронного луча.
В формуле (5.1) функцию F(Y) МОЖНО разложить на два слагаемых, представляющих собой зависящую и не зависящую от тока фокусировки компоненты F(Y)=Fl(Yl)+F2(lf) (5.16) где Y\- п+1 мерный вектор параметров (уь уъ ..., yn,t), включающий все факторы, влияющие на величину регистрируемого тока, кроме тока электронного луча и тока фокусировки.
Предположим, что при высокочастотном сканировании фокуса (частота сканирования ю 300 Гц) геометрия канала проплавлення не успевает изменяться существенным образом в течение периода сканирования. Тогда зависимость F2[If) обусловлена только влиянием тока фокусировки на величину плотности потока энергии, вводимой электронным лучом.
Аппроксимируем данную зависимость, которая бы наблюдалась при падении электронного луча на плоский образец в условиях существования над зоной взаимодействия плазмы функцией Гаусса (рисунок 5.6):
Функция F2(lf), определяющая величину вторичного тока в плазме в зависимости от тока фокусировки электронного луча. Для осуществления сканирования фокуса введем гармонические колебания тока фокусировки в соответствии с выражением: //=(//) + / isina)-r (5.18) где Ifm -амплитуда модуляции тока фокусировки; If - среднее значение тока фокусировки; ю - частота сканирования; t - время. Формула (5.17) примет вид
При условии отсутствия дополнительных внешних периодических воздействий с частотами кратными частоте сканирования фокуса ю, коэффициенты ряда Фурье для ос= тШ не зависят отFl(Yx)вследствие стохастической природы данной компоненты
На рисунках 5.7, 5.8 представлены результаты численных расчетов амплитуд гармонических составляющих тока коллектора на частотах, кратных частоте модуляции тока фокусировки по формулам (5.30),(5.31).
Амплитуды четных гармоник dm имеют экстремумы при острой фокусировке (рисунок 5.8), а амплитуда первой гармоники Ъ\ имеет наибольшую величину, и в некотором диапазоне изменения режима фокусировки пропорциональна величине отклонения фокусировки относительно острой. Данный сигнал может быть использован при построении методов управления режимом фокусировки и представляет наибольший интерес для дальнейшего изучения.
Детальный анализ зависимости сигнала вторичного электронного тока в плазме от всех факторов согласно модели основанной на соотношениях (5.28)...(5.31) затруднено из-за сложности аналитического выражения интегралов, входящих в формулы. Поэтому представим выражения под интегралами (5.30) (5.31) в виде ряда Маклорена по степеням х: