Контроль геометрических параметров электронного пучка при электронно-лучевой сварке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Бочаров, Алексей Николаевич

• Бочаров, Алексей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бочаров, Алексей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

4 ГЛАВА 1. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА.

1.1 Методы контроля и стабилизации геометрических параметров электронного пучка.

1.1.1 Методы фокусировки электронного пучка.

1.1.2 Методы измерения диаметра электронного пучка.

1.2 Контроль энергетических параметров электронного пучка.

1.2.1 Методы измерения плотности распределения энергии в поперечном сечении пучка.

1.2.2 Определение ширины распределения плотности энергии электронного пучка.

1.2.3 Факторы, влияющие на распределение плотности энергии по поперечному сечению электронного пучка.

Выводы и постановка задачи.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РЕНТГЕНОВСКОГО ДАТЧИКА ГЕОМЕТРИИ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА.

2.1 Особенности формирования рентгеновского излучения от поверхности свариваемого изделия.

2.2 Контроль рентгеновского излучения от поверхности свариваемого изделия рентгеновским датчиком геометрии электронного пучка.

2.3 Анализ формы распределения плотности тока по сечению электронного пучка.

2.4 Оценка ширины распределения плотности тока электронного пучка по зондовой характеристике рентгеновского датчика геометрии электронного пучка.

Выводы.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА.

• 3.1 Автоматизированная система для исследований распределения плотности энергии электронного пучка.

3.2 Определение параметров распределения по зондовым характеристикам.

3.2.1 Определение оптимального числа интервалов группирования.

3.2.2 Расчет энтропийного диаметра по зондовой характеристике.

3.2.3 Оценка координаты центра распределения зондовой характеристики.

3.2.4 Оценка среднеквадратического отклонения, контрэксцесса и энтропийного коэффициента по зондовой характеристике.

3.3 Результаты проведенных измерений геометрических параметров распределения по зондовым характеристикам.

3.4 Выбор закона распределения плотности тока пучка.

3.5 Оценка точности проводимых измерений.

Выводы.

ГЛАВА 4. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ф ГЕОМЕТРИИИ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА.

4.1 Автоматизированная система контроля геометрии электронного пучка.

4.2 Конструктивное исполнение системы.

4.3 Работа автоматизированной системы контроля геометрии электронного пучка в составе микропроцессорной АСУ ТП ЭЛС.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Контроль геометрических параметров электронного пучка при электронно-лучевой сварке»

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) получила широкое распространение в отраслях машиностроения, связанных с производством авиационной и аэро* космической техники. ЭЛС относится к методам сварки высококонцентрированными источниками энергии, позволяя соединять за один проход металлы и сплавы толщиной от 0,1 до 400 мм, и обладает широкими технологическими возможностями.

Электронный пучок является основным инструментом при ЭЛС. Во время сварки на его параметры оказывают влияние множество факторов: ускоряющее напряжение, ток фокусирующей системы, уровень вакуума, юстировка прожектора электронно-лучевой пушки, состояние катода и т.д. Поэтому для обеспечения гарантированного качества сварного соединения необходима предварительная настройка электронно-лучевого оборудования и контроль сварного шва на образцах.

В этих условиях контроль энергетических характеристик электронного пучка и их воспроизводимость становиться актуальной задачей. Это особенно существенно при исследованиях технологии ЭЛС (например, взаимодействия электронного пучка с материалом, сравнение способов сварки на различном оборудовании), а также для воспроизводимости технологического процесса на различных установках и различном энергетическом оборудовании в промышленных условиях.

Существуют различные методы определения характеристик электронного пучка. При этом основное внимание уделяется определению его геометрических параметров: диаметра, угла сходимости, положения фокальной плоскости. Однако они не определяют полностью проплавляющую способность электронного пучка, которая так же зависит от пространственного распределения его энергетических характеристик, а именно распределения плотности энергии.

Таким образом, наиболее информативными являются методы контроля плотности распределения энергии в поперечном сечении электронного пучка. Совокупность параметров электронного пучка, полученных с помощью данных методов, полностью характеризуют электронный пучок, а также позволяет контролировать состояние катодного узла электронно-лучевой пушки (ЭЛП).

Объект исследования — управление процессом электронно-лучевой • сварки.

Предмет исследования - распределение плотности энергии в поперечном сечении электронного пучка и контроль параметров этого распределения.

Целью диссертационной работы является — разработка методов и устройств контроля энергетических и геометрических параметров электронного пучка. 4

Задачи исследования:

1. Разработка математической модели рентгеновского датчика геометрии электронного пучка, учитывающей различные законы распределения плотности тока пучка.

2. Определение информационных параметров датчика геометрии электронного пучка, позволяющих однозначно определить форму закона распределения плотности энергии пучка.

4 3. Разработка метода определения диаметра электронного пучка, учитывающего форму закона распределения плотности энергии.

4. Экспериментальное исследование распределения плотности энергии электронного пучка.

5. Техническая реализация устройства контроля плотности распределения энергии пучка. Его испытание и внедрение в производство.

Научная новизна исследования состоит в следующем: I 1. Разработана аналитическая модель рентгеновского датчика геометрии электронного пучка, учитывающая различные законы распределения плотности энергии в поперечном сечении электронного пучка.

2. Предложена методика построения плотности распределения тока электронного пучка по зондовым характеристикам датчика геометрии электронного пучка.

3. Разработан метод расчета диаметра электронного пучка, учитывающий форму закона распределения плотности энергии.

Значение для теории

Предложена модель рентгеновского датчика геометрии электронного пучка, учитывающая различные законы распределения. Проведена классификация наиболее встречающихся распределений плотности тока электронного пучка и определены информационные параметры, на основании которых распреде-4 ления относят к одной из аналитических моделей.

Практическая ценность

1. Предложены алгоритмы и программы расчетов геометрических параметров электронного пучка.

2. Исследованы плотности распределения тока электронного пучка при различных режимах работы электронно-лучевого оборудования.

3. Разработана экспериментальная установка для исследования рентге-4 новского датчика геометрии электронного пучка.

4. Предложены принципы построения автоматизированной системы контроля геометрии электронного пучка. Разработаны структурная и функциональная схемы системы.

Достоверность научных результатов основывается на корректном использовании математического аппарата, подтверждается моделированием на ЭВМ, а также экспериментальными исследованиями выполненными при раз-щ личных параметрах технологического процесса ЭЛС.

Реализация результатов работы

Разработан действующий макет автоматизированной системы контроля геометрии электронного пучка. Устройство прошло испытания в лаборатории * сварки ФГУП "Красмашзавод".

Положения выносимые на защиту:

1. Математическая модель рентгеновского датчика геометрии электронного пучка, учитывающая различные законы распределения плотности тока пучка.

2. Метод построения плотности распределения тока пучка по зондовой характеристике рентгеновского датчика геометрии электронного пучка.

4 3. Метод контроля диаметра электронного пучка, учитывающий форму закона плотности распределения тока пучка.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы обсуждались на конференциях и семинарах:

- межвузовская научная конференция "Студент, наука и цивилизация", г. Красноярск, 1998.

4 . - Перспективные материалы, технологии, конструкции, г. Красноярск, САА,

1998.

- Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов "Решетневские чтения", г. Красноярск, САА, 1998.

- Конкурс молодых ученых, преподавателей, аспирантов, студентов Красноярского научно-образовательного центра высоких технологий (КНОЦ ВТ), г. Красноярск, 2000.

- Всероссийская научно-практическая конференция "Перспективные материа-р лы, технологии, конструкции, экономика, г. Красноярск, ГУЦМиЗ, 2004.

- VIII Всероссийская научная конференция с международным участием "Решетневские чтения", посвященная 80-летию со дня рождения генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева, г. Красноярск, СибГАУ, 2004.

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Объем диссертации составляет 150 страниц, в том числе 72 рисунка и 7 таблиц. Библиография содержит 61 наименование.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Бочаров, Алексей Николаевич

Выводы.

1. Предложены принципы построения автоматизированной системы контроля геометрии электронного пучка.

2. Разработаны структурная и функциональная схемы автоматизированной системы контроля геометрии пучка. 9

Начало

Выбор режима работы

Считывание данных из подсистемы в ЭВМ

Обработка полученной характеристики

Расчет диаметра пучка

Выдача управляющих сигналов в фокусирующую систему ЭЛП т

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана математическая модель рентгеновского датчика геометрии электронного пучка, учитывающая различные законы распределения плотности тока электронного пучка.

2. Определены информационные параметры, позволяющие однозначно отнести полученное распределение к одной из аналитических моделей, описывающих распределение плотности тока в поперечном сечении электронного пучка.

3. Разработан метод оценки ширины распределения плотности тока электронного пучка, учитывающий форму закона распределения.

4. Экспериментальные исследования распределений плотности тока электронного пучка при различных режимах работы электронно-лучевого оборудования показали, что часть распределений может быть описана экспоненциальными законами

5. Разработанный метод построения распределения плотности тока пучка по зондовой характеристике рентгеновского датчика, позволяет получить количественные параметры с погрешностью не более 8 %.

6. Предложены алгоритмы и программы расчетов геометрических параметров электронного пучка.

7. Разработаны структурная и функциональная схемы автоматизированной системы контроля геометрии электронного пучка. Система находиться в промышленной эксплуатации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бочаров, Алексей Николаевич, 2005 год

1. А. с. 1027945 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ контроля положения фокуса луча на изделии при электронно-лучевой сварке.

2. А. с. 1053401 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ фокусировки луча и слежение за стыком при электронно-лучевой сварке.

3. Акопьянц, К.С. Контроль фокусировки луча по частоте пульсаций ионного тока / К.С. Акопьянц, А.В. Емчеенко-Рыбко // Материалы 8-ой всесоюзной конференции по ЭЛС. — Москва, 1983 г.

4. А. с. 1075534 СССР, МКИ В23К 15/00. Устройство для стабилизации степени фокусировки луча при электронно-лучевой сварке.

5. А. с. 1133781 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ регулирования процесса электронно-лучевой сварки.

6. Комиссаров, Г.Г. Контроль и регулирование процесса ЭЛС по термоэлектронной эмиссии и испарению из зоны обработки / Г.Г. Комиссаров, В.Ф

7. Резниченко // Сварочное производство. 1988. - № 6. - с. 10-11.

8. Беленький, В.Я. Устройство для адаптивной фокусировки электронного луча в установках ЭЛС / В.Я. Беленький, В.А. Анкудинов // Сварочное производство. 1988. - №2. - с. 18 - 19.

9. Беленький, В.Я. Прибор для развертки электронного луча и контроля его фокусировки при ЭЛС / В.Я. Беленький // Сварочное производство. 1988. -№ 1.

10. А. с. 1468700 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ электронно-лучевой сварки и устройство для его осуществления.

11. А. с. 915355 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ контроля степени фокусировки луча.

12. А. с. 1815079 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ определения положения фокального пятна.

13. Акопьянц, К.С. Определение тока магнитной фокусирующей линзы, необходимого для фокусировки луча при электронно-лучевой сварке / К.С. Акопьянц, А.В. Емчеенко-Рыбко, В.Ю. Непорожний // Автоматическая сварка. — 1985. -№ 10.-с. 62-65.

14. А. с. 1349122 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ контроля степени фокусиров-* ки электронного луча.

15. А. с. 1561359 СССР, МКИ В23К 15/00. Устройство контроля фокусировки электронного луча.

16. А. с. 1067727 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ регулирования степени фокусировки луча при электронно-лучевой сварке.

17. А. с. 1540985 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ управления фокусировкой электронного пучка.

18. А. с. 1696222 СССР, МКИ В23К 15/00. Устройство для автоматической фо-•• кусировки электронного луча.

19. Пат. 3505857 ФРГ, МКИ В23К 15/00. Способ и устройство для определения и регулирования положения пучка электронов, которым ведется сварка.

20. А. с. 1089860 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ определения поперечного сечения луча.

21. А. с. 1487305 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ контроля геометрии аксиально-симметричного электронного пучка.

22. А. с. 1091440 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ измерения диаметра свароч-%, ного электронного луча.

23. А. с. 1584265 СССР, МКИ В23К 15/00. Датчик для измерения параметров электронного пучка.

24. А. с. 1272593 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ контроля степени фокусировки при электронно-лучевой сварке.

25. А. с. 1538376 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ контроля геометрии сварочного пучка электронов и устройство для его осуществления.

26. А. с. 1091439 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ измерения диаметра свароч-Ф ного электронного луча.

27. А. с. 1061345 СССР, МКИ В23К 15/00. Устройство для измерения диаметра электронного луча при электронно-лучевой сварке.

28. А. с. 862468 СССР, МКИ В23К 15/00. Устройство для измерения диаметра электронного луча.

29. А. с. 534326 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ измерения геометрических параметров технологического электронного луча.

30. Зуев, И.В. Об измерении диаметра электронного луча методом вращающегося зонда / И.В. Зуев, А.А. Углов // Физика и химия обработки материалов.1967.-№5.-с. 110-112.

31. Назаренко, O.K. Измерение параметров мощных электронных пучков методом вращающегося зонда / O.K. Назаренко, В.Е. Локшин, К.С. Акопьянц // Электронная обработка материалов. 1970. - № 1. - с. 87 - 90.

32. Углов, А.А. Об экспериментальном исследовании параметров тонких электронных пучков / А.А. Углов, В.К. Дущенко, А.А. Васютин, Е.А. Росенко // Физика и химия обработки материалов. 1974. - № 3. - с. 26 - 29.

33. Полянский, П.В. К вопросу измерения распределения плотности мощности сварочных электронных пучков методом прямого края / П.В. Полянский, В.Н. Ластовиря // Физика и химия обработки материалов. 1989. - № 5. - с. 122- 126.

34. Полянский, П.В. Электроника БК 0010 в системах исследования объектов сраспределенными параметрами / П.В. Полянский // Микропроцессорные средства и системы. 1989. - № 3. - с. 58 - 60.

35. Ластовиря, В.Н. Система оперативного контроля проплавляющих свойств электронного пучка при сварке / В.Н. Ластовиря, П.В. Полянский // Сварочное производство. 1990. - № 8. - с. 25 - 26.

36. А. с. 1594810 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ контроля параметров электронного луча.

37. А. с. 1383633 СССР, МКИ В23К 15/00. Устройство для контроля симметричности распределения плотности тока в электронном луче.

38. Laflamme, G.R. Diagnostic device quantifies defines geometric characteristics ofelectron beams / G.R. Laflamme, D.E. Powers // Weld. J. 1991, - 70, № 10. - c. 33-40.

39. Laflamme, G.R. EB power density distribution measuring device / G.R. Laflamme, D.E. Powers // Abstr. Pap. Present. 7 1st. AWS Annu. Meet, and 21 st Int. AWS Braz/ and Solder. Cont. Miami, Fla, Apr. 22 27, 1990. - Miami (Fla), 1990.-c. 128-129.

40. A. c. 1609584 СССР, МКИ B23K 15/00. Способ контроля процесса электронтно-лучевой сварки.

41. А. с. 1608988 СССР, МКИ В23К 15/00. Способ измерения геометрических параметров электронного луча.

42. Brewer, G.R. Formation of high density electron beams. / G.R. Brewer // J. Appl. Phys., 1957, 28, № 1,7.

43. Ashkin, A. Dinamics of electron beams from magnetically shielded guns. / A. Ashkin // J. Appl. Phys., 1958, 29, № 11, 1954.

44. Ashkin, A. Electron beam analyzer. / A. Ashkin // J. Appl. Phys., 1957, 28, № 5,564.

45. Kenneth, Non laminar flow in cylindrical electron beams. / J.Kenneth, Harker. // J. Appl. Phys., 1957, 28, № 6, 645.

46. Ланкин, Ю.Н. Структура и диаметр электронных пучков при ЭЛС. / Ю.Н. Ланкин // Проблемы сварки, Киев, 1990, с. 229 234.

47. Шиллер, 3. Электронно-лучевая технология: пер. с нем. /3. Шиллер, У. Гай* зинг, 3. Панцер. М.: Энергия, 1980. 528 с.

48. Тэрэда, Ура. Исследование способа обнаружения границы проплавления при электронно-лучевой сварке / Ура Тэрэда // Пер. с японского ТТЛ Москвы № 19263 от 29.11.87.

49. Рентгеновские лучи: Пер. с англ. и нем. Л. Н. Бронштейн. М.: Изд. иностр. лит, 1960.

50. Электронно-лучевая сварка. / Под ред. Б.Е. Патона, Киев: Наукова думка, f 1987.-256 с.

51. Хараджа, Ф.Н. Общий курс рентгенотехники. / Ф.Н. Хараджа // М. Л.: Энергия, 1966.-586 с.

52. Sasaki S., Murakami Н., Iwami Т., Yasunaga S. Automatic weld line sensing and work positioning for electron beam welding // IIW DOC. 4-368-84 (1984).

53. Управление электронно-лучевой сваркой /В.Д. Лаптенок, А.В. Мурыгин, Ю.Н. Серегин, В.Я. Браверман. Красноярск: САА, 2000. 234 с.