4 Електронно-променеве зварювання

4.1 Характеристика об'єкта керування

Процес утворення зварного шва як об'єкт автоматичного керуван­ня при електронно-променевому зварюванні (ЕПЗ) характеризується вихідними змінними (показники якості процесу зварювання і шва), вхідними регулюючими (параметри режиму зварювання) і збурю­ючими діями (рисунок 4.1.).

Рисунок 4.1. Зварний шов при ЕПЗ як об'єкт регулювання

Задля контролю якості ЕПЗ ви­користовують прямі показники якос­ті — геометричні розміри і суцільність зварного шва, його розміщення щодо поверхні сполучення зварюваних де­талей. Варіації параметрів режиму зварювання найчіткіше відбиваються на зміні геометричних розмірів шва. Окрім того, механічні характе­ристики шва й імовірність появи в ньому дефектів перебувають у певно­му зв'язку з формою поперечного пе­рерізу шва. Тому за оцінки якості швів перш за все визначаються гли­бина h і ширина b їхнього проплав­лення.

Для того щоб контролювати та автоматично регулювати якість зва­рювання, використовують параметри різноманітних

фізичних процесів, що супроводжуються ЕПЗ: струм емісії із ділянки зварювання, іонний струм із ділянки зварювання, струм крізь зварювану деталь I_дет, теплове випромінювання з ділянки зварювання Е, наскрізний струм І_яаск крізь зварювану деталь та ін.

До керуючих дій належать: U_n — прискорююча напруга; — струм електронного променя; — кут збіжності променя, який регулюється зміною струму фокусуючої котушки ; — відстань від поверхні зварюваної деталі до найменшого перетину променя; — радіус електронного променя; — швидкість зварювання. Найбільший вплив на якість зварювання мають .Ре­жим зварювання задається і .У багатьох зварювальних уста­новках є також можливість регулювати прискорюючу напругу U_п проте встановлюють максимально можливе значення U_n.

До збурюючих дій при ЕПЗ можна віднести: — зміщення осі електронного променя відносно зварюваного стику; — кут нахилу електронного променя до поверхні з'єднання зварюваних деталей; — температуру зварюваних деталей; — ширину зазора між зварюваними деталями.

Мета автоматичного керування процесу ЕПЗ — забезпечення ек­стремуму узагальненого показника ефективності С . Для цьо­го слід мати можливість виміряти вектор стану об'єкта , вектори ке­рування і збурень і знати вид функціоналу С . На даний час практично вирішена лише часткова проблема керування ЕПЗ — авто­матичне регулювання ЕПЗ, що передбачає замість відшукування ек­стремуму узагальненого показника ефективності стабілізацію або про­грамну зміну окремих складових вектора вихідних змінних — показників якості ЕПЗ в умовах дії збурень.

Для керування процесом ЕПЗ потрібно мати його математичну модель, що пов'язує вихідні змінні із регулюючими і збурюючими діями. Найвідоміші моделі, де за вихідну змінну взято глибину проплавлення h. Ці моделі, здобуті на підставі обробки експеримен­тальних даних, подають у вигляді поліному

(4.1)

або у вигляді

(4.2)

де а_о...а₄ — постійні коефіцієнти, що залежать від зварюваного мате­ріалу і зварювальної установки.

Аналогічні моделі здобуті і для інших вихідних змінни шва — випуклості, ширини шва на різній глибині, форми шва та ін. Ці моделі достатньо точні, але їх не можна використовувати для інших матеріалів і поза тим діапазоном зміни параметрів режиму зварюван­ня, для якого формувалася модель. Окрім того, як будь-які статистич­ні залежності, вони не відбивають фізичної природи процесів.

Більший фізичний зміст мають моделі, здобуті аналітичним шля­хом на основі методу інтегрального теплового балансу. Вважаючи ширину зварного шва незмінною і такою, що не залежить від режиму і матеріалу, рівняння теплового балансу можна записати у вигляді

де — потужність електронного променя; — складові теплового потоку, що витрачаються на приховану теплоту плавлення, випаровування, випромінювання і теплопровідність.

Після перетворень рівняння (4.3) із урахуванням виразів для усіх складових потоку , матимемо формулу для глибини проплавлен­ня

(4.4)

де — відношення кількості відбитих електронів до загальної кіль­кості випромінюваних; т — порядковий номер елемента; — кое­фіцієнт чорноти; — стала Стефана — Больцмана; Т_в — температу­ра ванни рідкого металу; — густина; С — питома теплоємність; — питома теплота плавлення; k — відношення кількості матеріалу, що випарувався, до кількості розплавленого ( ); — питома теплота випаровування; — теплопровідність; Т_пл — темпе­ратура плавлення.

Математичні моделі типу (4.4), здобуті на основі теоретичного аналізу фізичних процесів, для практичного використання як для якіс­них, так і для кількісних оцінок вимагають додаткового уточнення коефіцієнтів моделі за результатами експериментальних досліджень. Залежності (4.1) — (4.4) характеризують взаємозв'язок вихідних змінних

а, б — струму променя; в — струму ко­тушки відхилення

Рисунок 4.2 – Динаміка зміни глибини про­плавлення за ступінчастої зміни пара­метрів режиму зварюван

електронно-променевого шва з регулюючими діями в статиці, тобто статичні характеристики зварного шва як об'єкта регулювання.

Уявлення про динаміку взаємозв'язку глибини проплавлення з регулюючими діями дає рисунок 4.2. За ступінчастого збільшення керую­чої дії (струму променя ) глибина h збільшується за експонентою зі сталою часу . Далі темп поглиблення проплавлення різко зменшу­ється і наростання глибини шва до значення, що встановилося, від­бувається зі сталою часу . За ступінчастого зменшення керуючої дії глибина шва встановлюється практично безінерційно. Така пове­дінка зварювальної ванни є специфікою ЕПЗ із «кинжальним про­плавленням». Поглиблення шва відбувається інерційно, оскільки во­но пов'язане з нагріванням до розплавлення і переміщенням певної маси металу. Маси рідкого металу на передній стінці і дні парогазово-го каналу, що утворюється у зварюваному металі під час дії на нього електронного променя з високою густиною потужності, малі, тому зняття перегрівання рідкого металу зварювальної ванни після зни­ження потужності зовнішнього джерела нагрівання не супроводжу­ється розплавленням основного металу, як це має місце при дугових методах зварювання.

У лінійному наближенні динамічні властивості зварного шва зручно описувати за допомогою передавальних функцій. Для таких керуючих дій, як струм променя, прискорююча напруга, густина і потужність електронного променя, канал проплавлення як об'єкт регулювання згідно з рисунку 4.2, а можна подати послідовно-паралель­ним з'єднанням трьох ланок (рисунок 4.2, б):

інерційних першого порядку з передавальними функціями

і безінерційного з передавальною функцією

Функція Ф показує, що при поглибленні каналу він поводить себе як інерційна ланка і стає без інерційним при скиданні регулюючої дії:

при

при

Отже,

(4.5)

де

h (s) — зображення глибини проплавлення h; — зображення регулюючої дії (струму променя , прискорюючої напруги або струму фокусуючої лінзи ); k = k₁ + k₂ — коефіцієнт переда­вання, що визначають із рівнянь статики за відповідними вхідними змінними.

Для проплавлення алюмінієвих сплавів на глибину до 20 мм го-стросфокусованим променемри мм/с сталі часу моделі ма­ють порядок ,

Дещо інший характер перехідного процесу можна спостерігати при зміні еквівалентного поперечного розміру променя, спричинено­го регулюванням амплітуди його періодичного відхилення. На рисунку 4.2, в наведено зміну глибини проплавлення h при вмиканні і вими­канні синусоїдального струму , котушки відхилення. Ступінчасте збільшення амплітуди періодичного відхилення еквівалентне збіль­шенню діаметра електронного променя, а отже, зменшенню густини потужності променя, що сприяє миттєвому зменшенню глибини про­плавлення. Із формуванням ширшого зазора проплавлення глибини шва плавно збільшується до нового значення, що встановилося. При різкому зменшенні амплітуди періодичного відхилення електронного променя глибина проплавлення стрибком збільшується, а потім плав­но зменшується до значення, що встановилося. Це можна пояснити тим, що електронний промінь малого діаметра діє на широкий від початку канал проплавлення, сформований до цього широким, вна­слідок періодичного відхилення, електронним променем. У результа­ті здатність електронного променя, що проплавляє, у перший момент велика і глибина проплавлення різко зростає. З формуванням вужчого

каналу проплавлення його глибина плавно зменшується до нового значення, що. встановилося. Отже, за цією керуючою дією канал про­плавлення можна подати ланкою диференціювання з уповільненням із передавальною функцією вигляду

, (4.6)

де — сталі часу (див. рис. 4.2, а).

Для інших вихідних змінних зварного шва також можна дістати передавальні функції, аналогічні (4.5), (4.6).

Параметри режиму, встановлені з умов виконання заданої якості зварного шва, не вдається витримати навіть для одного шва, що має протяг, і тим більше при почерговому зварюванні різних заготовок внаслідок дії різних збурень на зварювальну установку. Основними з них є такі: напруга живильної мережі, яка може змінюватися на + 10...—15% щодо номінального значення; температура нагрівання елементів електронно-променевої установки і електронних схем ке­рування може змінюватися через саморозігрівання на 50 °С і більше; зміна емісійної здатності катода електронно-променевої гармати та її оптики через спрацювання катода внаслідок іонного бомбардування, його отруєння і напилення парами зварюваного металу, а також при перебиранні гармати для заміни катода; внутрішній опір джерела прискорюючої напруги при регулюванні струму електронного про­меня, внаслідок чого робоча прискорююча напруга відрізняється від установленої на холостому ходу.

Через усі ці збурення може змінюватися струм електронного променя, енергія прискорених електронів, положення найменшого перетину променя, кути його сходження і розходження, закон розпо­ділу густини струму по перетину, швидкість зварювання. Щоб запо­бігти впливу перелічених збурень на якість зварного з'єднання, треба стабілізувати задані параметри режиму зварювання. Для цього, застосовують локальні регулятори параметрів режиму ЕПЗ, які да­ють змогу запобігти впливу основних збурень на якість ЕПЗ.