4.2 Вимоги до властивостей локальних регуляторів параметрів режиму

Структура сучасної електронно-променевої установки наведена на рис. 4.3. Усі основні вихідні змінні в ній стабілізовані локальни­ми регуляторами параметрів режиму ЕПЗ. Уставки на регулятори надходять із ручних задатчиків або від пристроїв централізованого керування, наприклад від керуючої ЕОМ. Для цього усі регулятори повинні мати входи керування уніфікованим електричним сигналом, наприклад напругою постійного струму 0—10 В. Розглянемо вимоги

ЕПГ — електронно-променева гармата; РСР— регулятор струму розжарення; РСБ — регу­лятор струму бомбардування; РСП — регу­лятор струму променя; ДВН — джерело ви­сокої напруги; КПН — блок корекції за прискорюючою напругою; РСФ — регулятор струму фокусування; РСВХ, PCBY — регу­лятори струму відхилення; ГР — генератор періодичних розгорток променя; БСС — блок слідкування за стиком і візуалізації; РШХ, РШК, PШZ — регулятори швидкості приво­дів переміщення виробу; БКІ — блок задатчиків, керування, контролю, індикації

Рисунок 4.3 – Структура установки для ЕПЗ

до статичних і динамічних вла­стивостей локальних регуляторів параметрів режиму ЕПЗ.

Аналітичний зв'язок одного із найважливіших параметрів якості ЕПЗ — глибини проплавлення h — із основними

параметрами режи­му зварювання струмом променя , прискорюючою напругою U_n, струмом фокусування і швидкістю зварювання v_3B дає рівняння (4.4). Використовуючи його, знайдемо допустиму нестабільність па­раметрів режиму ЕПЗ для заданої нестабільності глибини проплав­лення. З формули (4.4) випливає, що відносна зміна глибини про­плавлення дорівнює відносній зміні прискорюючої напруги U_n і за умови сталості усіх інших параметрів матимемо:

де k_E = 1 — коефіцієнт передавання за прискорюючою напругою. Аналогічно запишемо для струму і потужності променя Q_п:

Отже, параметри режиму U_п, І_п, Q_n повинні стабілізуватися від­повідними регуляторами з точністю, що визначається допустимими відхиленнями глибини проплавлення.

Зв'язок глибини проплавлення зі швидкістю зварювання є нелі­нійним. Зробимо лінійною цю залежність для малих відхилень швид­кості, використовуючи розкладання залежності (4.4) за ступенями і нехтуючи нелінійною частиною ряду.

Коефіцієнт передавання k_v залежить від швидкості зварювання і радіуса електронного променя r_п (рисунок 4.4). Із рисунку 4.4 видно, що k_v є близьким до 0,6 при звичайно застосовуваних швидкостях зварю­вання.

Рисунок 4.4 – Коефіцієнт передачі за швид­кістю зварювання заліза при різних значеннях радіуса електронного про­меня г_п

Рисунок 4.5 – Коефіцієнти передачі за стру­мом фокусуючої лінзи &ф і прискорю­ючою напругою k_E

Розрахункова оцінка залежності глибини проплавлення від від­носної зміни струму фокусуючої лінзи при ЕПЗ заліза (сталі) на швид­кості v_3B — 5 мм/с дає змогу визначити коефіцієнт передавання по струму фокусуючої лінзи (рисунок 4.5):

Коефіцієнт передавання за прискорюючою напругою можна визна­чити, припустивши, що всі інші параметри залишались незмінними. В реальних умовах цього не відбувається. При зміні прискорюючої напруги стабілізатор струму променя відповідно змінює напругу на керуючому електроді, внаслідок чого змінюється просторовий роз­поділ густини струму I_п, а для гармат із електромагнітним фокусуван­ням — положення найменшого перетину променя L згідно з виразом

де W_ф — кількість витків фокусуючої котушки; l — відстань від гар­мати до центра фокусуючої котушки; k — константа, яка характери­зує конструктивні параметри котушки.

Відповідно змінюються радіус променя на поверхні зварюваного виробу і глибина проплавлення. Залежність результуючого коефі­цієнта передавання від U_n наведено на рис. 4.5. За наявності елект­ромагнітної системи прискорююча напруга повинна підтримуватися з точністю на порядок більшою, ніж за використання довгофокусних гармат.

Точність задавання і стабільність підтримання кожного параметра режиму x_t запишемо у вигляді

(4.7)

де — допустима відносна змінна глибини через нестабільність і-го параметра. Доцільно вибирати однаковим для всіх x_і.

Якщо коливання усіх параметрів відбувається випадково і неза­лежно одне від одного, результуюча зміна глибини проплавлення

І для

У цьому разі формула (4.7) набуває вигляду

(4.8)

При допустима нестабільність кожного з чотирьох

(N = 4) розглянутих параметрів зварювального режиму становить відповідно:

Проте не завжди зміна параметрів режиму відбувається незалежно. Наприклад, збурення за напругою мережі спричинюють одночасну зміну U_п, І_п, І_ф. У найгіршому випадку

і допустима нестабільність кожного параметра

(4.9)

При цьому похибка, наприклад струму фокусуючої котушки /ф, не повинна перевищувати 0,0006. Щоб запобігти потрібної суворої стабілізації струму І_ф, слід усунути вплив коливань напруги мережі на регулятор струму фокусування. Цього можна досягти, використо­вуючи для живлення регулятора стабілізовану напругу.

Наведені характеристики статичної точності локальних регулято­рів визначено для конкретних режимів ЕПЗ заліза (сталі). Для інших режимів зварювання і матеріалів вони будуть іншими, проте їхнє співвідношення і порядок величин залишаються приблизно по­стійним.

Слід зазначити, що ЕПЗ в основному застосовують для з'єднань, які вимагають наскрізного проплавлення. Це спричинено характер­ними для ЕПЗ дефектами неповного проплавлення — випадковими коливаннями щодо середнього рівня глибини проплавлення і порами, пустотами, несплавленнями, що їх супроводжують. Вимоги до стабіль­ності параметрів режиму зварювання із наскрізним проплавленням можуть бути нижчими і вибираються з умови гарантованого наскріз­ного проплавлення.

При ЕПЗ виробів складного профілю із змінною товщиною, а та­кож при зварюванні замкнених швів із виведенням кратера виникає потреба швидкої програмної зміни струму (потужності) електронного променя. Оскільки формування зварного шва відбувається інерцій­но — динамічні характеристики регуляторів повинні бути достатньо високими, щоб істотно не затягувати перехідний процес у системі регулятор — зварний шов. Якість перехідного процесу у такій систе­мі оцінюється за реакцією на ступінчасту зміну задавального сигналу регулятора. При цьому вихідний сигнал установлюється лише після деякого перехідного процесу, що визначається параметрами регуля­тора.

Частота зрізу логарифмічної амплітудно-частотної характери­стики регулятора (частота одиничного підсилення розімкненого зво­ротного зв'язку) припадає на ділянку з нахилом —20 дБ/декада. За достатньої ширини цієї ділянки перехідний процес у системі завер­шується за час ~ (7...10)/ . Щоб динамічні характеристики ре­гулятора не відображалися на перехідних процесах програмної зміни глибини проплавлення зварного шва, слід дотримувати умови . Для прикладу на рисунку 4.6 наведена розрахована із застосу­ванням передавальної функції (4.5) програмна зміна глибини проплав­лення зварного шва при ЕПЗ для безінерційного і реального регуля­торів. Ідеальний безінерційний регулятор миттєво відпрацьовує збіль­шення (крива 1 рис. 4.6, а) і зменшення (крива 3 рис. 4.6, а) струму променя І_п. Цим змінам струму променя відповідає найбільш різка зміна глибини проплавлення (криві 1 і З на рис. 4.6, б). У реальному високоякісному регуляторі з перехідний процес установ­лення струму променя швидко загасає (криві 2 і 4 на рис. 4.6, а), внаслідок чого швидкість зміни глибини проплавлення (криві 2 і 4 на рисунку 4.6, б) мало відрізняється від максимально можливої.

Вимоги до динамічних характеристик регулятора струму фоку­суючих лінз жорстко не регламентуються, оскільки цей параметр під час зварювання не регулюється, а збурення, що діють на нього, на­дзвичайно повільні. Проте потреба високої швидкодії цих регуляторів різко зростає з використанням потужного зварювального променя для автоматичного слідкування за стиком під час зварювання (див. 4.6). У цьому разі струм І_п періодично ступінчасто змінюють на час виведення променя із зони зварювання. Швидкість переміщення променя по поверхні зварюваного виро­бу в режимі слідкування повинна бути настільки великою, щоб не спричинити плавлення поверхні. У противному разі перешкоди від плазми, що утворюється, не дають змоги надійно виділяти корисний сигнал.

а — програмна ступінчаста зміна щодо струму електронного променя І_п/І_п0 в часі; б — зміна відносної глибини проплавлення Н/Н_о за довжиною

Рисунок 4.6 – Перехідні процеси під час програмного регулювання глибини про­плавлення

Виходячи з цієї умови, для ЕПЗ заліза час сканування стику можна наближено визначити за формулою

(4.10)

де R_Q — радіус траєкторії сканування стику, мм; для типових зна­чень Q_n = 12,5 кВт, r_п = 0,55 мм і R_o — 5 мм за формулою (4.10) дістанемо t_c == 0,2 мс.

При ЕПЗ великих товщин промінь фокусується нижче поверхні виробу. Для слідкування за зварюваним стиком потрібне фокусуван­ня на поверхні. Зондування зварюваного стику провадиться пере­міщенням електронного променя впоперек стику попереду зварюваль­ної ванни. На переміщення променя в зону зондування і назад ви­трачається приблизно 25 % часу t_с. За цей час струм фокусування повинен змінитися до усталеного значення, тобто час відпрацювання дії типу «одиничний стрибок» системою фокусування повинен станови­ти не більш як 50 мкс.

Час сканування можна значно збільшити, якщо на період зонду­вання стику знижувати струм зварювання. У цьому разі максимальне значення t_c обмежується допустимим часом переривання процесу зварювання і швидкодією системи регулювання струму променя. Без збитків для якості зварювання промінь можна переривати на час

що становить приблизно 10 мс за = 10 мм/с і r_п = 0,5 мм. Регулято­ри струму променя і струму фокусування повинні відпрацьовувати стрибкоподібну зміну завдання за час 1—2 мс.

Динамічні характеристики регуляторів струму системи електро­магнітного відхилення електронного променя визначаються частотою і формою струму відхилення. Найчастіше використовують синусої­дальну, трикутну і пилкоподібну форми струмів відхилення. Часто­та синусоїдального відхилення променя звичайно не перевищує 1—2 кГц. Таку саму смугу пропускання повинен мати регулятор струмувідхилення, що забезпечується при частоті зрізу розімкненої схеми

Якщо автоматично слідкувати за стиком, найменшу смугу пропус­кання вимагає синусоїдальна розгортка електронного променя. Якщо час відхилення променя дорівнює 1 мс, то потрібна частота синусої­дальної розгортки буде становити 1 кГц. Зі зростом потужності елект­ронного променя потрібна ширина частотної характеристики системи розширюється до 10—100 кГц.

Для лінійного переміщення променя використовують пилкоподіб­ний чи трикутний закон зміни струму котушок відхилення. Неспотворене відтворення таких струмів вимагає нескінченно широкої сму­ги пропускання пристрою відхилення. За однакової швидкості пере­міщення променя та однакових спотворень передавання трикутного сигналу вимагає у 6 разів вужчої смуги пропускання системи відхи­лення, ніж передавання пилкоподібного сигналу. Тому в усіх випадках віддають перевагу трикутному струму відхилення. Спотворення зако­ну зміни струму відхилення внаслідок обмежень смуги пропускання системи призводять до збільшення результуючої густини струму в межах джерела нагрівання, що формується. Якщо смуга пропускан­ня у 10 разів більша, ніж частота струму трикутної розгортки, то еквівалентна густина потужності на краях зони відхилення переви­щує середній рівень приблизно на 20 %.