Наблюдение канала проплавления в рентгеновском спектре при электронно-лучевой сварке

Аннотация


Формирование сварного шва при электронно-лучевой сварке представляет собой сложный процесс, результирующий совместное действие множества факторов (тепломассообмена, истечения паров, рассеяния и переотражения электронов луча и т.д.), которые являются следствием воздействия на свариваемые материалы концентрированного источника энергии - пучка электронов. Сложность и многофакторность этого вида сварки оставляют многие задачи обеспечения требуемого качества сварного шва для решения непосредственно в процессе сварки с помощью технических средств управления формированием сварного шва. Визуальное наблюдение может стать дополнительным инструментом для исследований физических процессов, происходящих в канале проплавления, и для контроля формирования сварного шва при сварке. Сопутствующее тормозное рентгеновское излучение - практически единственный источник информации для этой цели. В статье представлены результаты исследований, направленных на обеспечение визуального наблюдения за каналом проплавления в рентгеновском спектре. Рассматривается метод формирования стереоскопического изображения канала проплавления путем коммутации на экране дисплея двух аксонометрических изображений канала и наблюдения их с помощью бинокулярного устройства, у которого синхронно с частотой коммутации аксонометрических изображений коммутируют прозрачность левого и правого окуляров. При этом каждое аксонометрическое изображение канала проплавления получают по сформированному массиву данных о топографии канала проплавления. Сигналы о заглублении электронного луча в материал для каждого аксонометрического изображения регистрируют из разных точек пространства. В качестве датчиков рентгеновского излучения использованы сцинтилляционные кристаллы совместно с фотоэлектронными умножителями. Кристаллы выполнены на основе монокристаллического йодистого натрия, активированного таллием.

Полный текст

Сложность и многофакторность электронно-лучевой сварки (ЭЛС) оставляют многие задачи обеспечения требуемого качества сварного шва для решения непосредственно в процессе сварки с помощью технических средств управления формированием сварного шва. Визуальное наблюдение может стать дополнительным инструментом для исследований физических процессов, происходящих в канале проплавления, и для контроля формирования сварного шва при сварке. Наблюдение за каналом проплавления дает представление о гидро- и пародинамических явлениях в канале, позволяет оценить процесс формирования сварного шва, его геометрию (глубину проплавления, объем шва), образование дефектов и т.д. При ЭЛС сопутствующее тормозное рентгеновское излучение - практически единственный источник информации для этой цели [1-3]. Данной тематике посвящены работы многих отечественных и зарубежных коллективов, таких как МЭИ, НПО «Техномаш»[3], НИКИМТ, СибГАУ (Красноярск) [4-6], ПНИПУ (Пермь) [7-13], ООО «Институт Интроскопии» (Томск) [14], ИЭС им. Е.О. Патона[4] [15], «Сиаки» (Франция), «Гамильтон Стандарт» (США), «Штейгервальд», Институт Манфреда фон Арденне (ФРГ), «Мицубиши дэнки» [16] и др. В работе рассматривается возможность получения стереоскопического изображения канала проплавления в рентгеновском спектре. Если с определенной периодичностью осуществлять сканирование электронного луча в плоскости свариваемого изделия, то расположенный с обратной стороны изделия датчик рентгеновского излучения будет измерять интенсивность прошедшего через непроплавленный металл рентгеновского излучения в каждый момент зондирования. Сигнал рентгеновского датчика несет информацию о заглублении канала проплавления в точке, где в данный момент находится электронный луч. Формируя массив данных о траектории сканирования и заглублении канала проплавления, можно получить аксонометрическое изображение, характеризующее геометрию канала. Стереоскопическое изображение получают путем коммутации на экране дисплея двух аксонометрических изображений канала и наблюдения их с помощью бинокулярного устройства, у которого синхронно с частотой коммутации аксонометрических изображений коммутируют прозрачность левого и правого окуляров. При этом каждое аксонометрическое изображение канала проплавления получают по сформированному массиву данных о топографии канала проплавления[5]. Сигналы о заглублении электронного луча в материал для каждого аксонометрического изображения регистрируют из разных точек пространства. На рис. 1 представлена функциональная схема устройства наблюдения. Электронно-лучевой пушкой (ЭЛП) на свариваемые детали направляется сварочный электронный луч (ЭЛ). Контроллер генерирует последовательность чисел, которые в устройстве связи с объектом (УСО) преобразуются в аналоговые сигналы Ux, Uy и подаются на соответствующие входы отклоняющей системы (ОС). В результате осуществляется сканирование электронного луча в плоскости с координатными осями X и Y. Определение величины заглубления электронного луча в свариваемый материал осуществляют путем измерения интенсивности рентгеновского излучения канала проплавления с помощью детекторов (Датчик 1 и Датчик 2). Значительная часть излучения исходит из дна канала, положение которого определяет глубину проплавления. Рентгеновское излучение ослабляется слоем непроплавленного металла по следующему закону [17]: J = J0exp(-mх), где J0 - интенсивность источника излучения, J0 = C ∙ Iл ∙ U2 ∙ Z, C - коэффициент, Iл - ток электронного луча, U - ускоряющее напряжение электронно-лучевой пушки, Z - атомный номер свариваемого материала; m - коэффициент линейного ослабления материала; х - толщина слоя непроплавленного металла; d - толщина свариваемого изделия (см. рис. 1). Измеряя интенсивность J рентгеновского излучения, можно рассчитать величину h заглубления электронного луча в свариваемый материал: Преобразование сигналов детекторов рентгеновского излучения в величину заглубления электронного луча в свариваемый материал осуществляется контроллером в соответствии с алгоритмом, определяемым последней формулой. Перед обработкой в компьютере сигнал с детекторов в УСО преобразуется в цифровую форму. Для получения информации о топографии канала проплавления формируют массив данных, в котором каждому положению луча на траектории сканирования в каждом такте (такт определяется временем проекции изображения при регистрации сигнала с одного датчика) приводят в соответствие величину заглубления h электронного луча в свариваемый материал путем измерения двух координат Ux, Uy положения луча в плоскости сканирования и величину Uh, пропорциональную заглублению h электронного луча в свариваемый материал. Контроллером осуществляется обработка измеренных величин по следующим формулам: - для первого аксонометрического изображения Рис. 1. Функциональная схема устройства наблюдения - для второго аксонометрического изображения где K1-K10 - масштабные коэффициенты изображения; X1, Y1 и X2, Y2 - координаты луча на экране дисплея в каждый такт формирования проекции изображения; Uh1 и Uh2 - составляющие координаты Y луча дисплея, пропорциональные величинам заглубления сварочного луча в материал в соответствующий такт измерения. При этом в один такт на координатные X, Y и информационный входы дисплея поступают с выхода УСО значения X1, Y1, h1, в другой - X2, Y2, h2 (рис. 2). Одновременно с коммутацией изображений на экран дисплея осуществляется переключение окуляров (левого и правого) бинокулярного устройства. В каждый такт каждый окуляр прозрачен только для одного аксонометрического изображения. Человек, смотрящий на экран дисплея через бинокулярное устройство, наблюдает стереоскопический эффект. Достаточная тактовая частота позволяет видеть канал проплавления в реальном масштабе времени. На рис. 2 представлена фотография изображения, наблюдаемого через один из окуляров. Результаты экспериментов подтверждают возможность получения требуемого изображения, однако для адекватной идентификации изображения с топографией канала проплавления необходима дополнительная программная и аппаратная обработка видеоинформации.

Об авторах

В. Я Браверман

Сибирский государственный аэрокосмический университет им. акад. М.Ф. Решетнева

Email: braverman-vladimir@rambler.ru

Список литературы

  1. Браверман В.Я., Белозерцев В.С., Успенский А.Н. Экспериментальные исследования рентгеновского излучения при электронно-лучевой сварке // Вестник СибГАУ. - 2005. - Вып. 6. - С. 196-200.
  2. Браверман В.Я. Тормозное рентгеновское излучение при электронно-лучевой сварке и его взаимосвязь с параметрами процесса // Вестник СибГАУ. - 2008. - Вып. 3. - С. 117-121.
  3. Вопросы управления формированием сварного шва при электронно-лучевой сварке / В.Я. Браверман, В.С. Белозерцев, В.П. Литвинов, О.В. Розанов // Вестник СибГАУ. - 2008. - Вып. 2. - С. 148-152.
  4. Браверман В.Я., Белозерцев В.С. Частотный метод определения уровня фокусировки электронного луча и глубины проплавления при электронно-лучевой сварке // Вестник СибГАУ. - 2010. - Вып. 4. - С. 65-68.
  5. Браверман В.Я., Белозерцев В.С., Вейсвер Т.В. Контроль глубины проплавления по интенсивности рентгеновского излучения при электронно-лучевой сварке // Вестник СибГАУ. - 2010. - Вып. 6. - С. 116-119.
  6. Браверман В.Я., Белозерцев В.С., Вейсвер Т.В. Повышение точности контроля проплавления при электронно-лучевой сварке // Вестник СибГАУ. - 2012. - Вып. 2. - С. 122-126.
  7. Secondary-emission signal for weld formation monitoring and control at electron beam welding (EBW) / D.N. Trushnikov, V.Ya. Belenkiy, G.M. Mladenov, N.S. Portnov // Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (Materials science and Engineering technology). - 2012. - Vol. 43, № 10. - P. 892-897.
  8. Plasma charge current for control and monitoring at electron beam welding with the beam oscillation / D. Trushnikov, V. Belenkiy, V. Schavlev, A. Piskunov, A. Abdulin, G. Mladenov // Sensors. - 2012. - № 12(12). - P. 17433-17445
  9. Использование параметров вторично-эмиссионного сигнала для управления проплавлением при электронно-лучевой сварке / Д.Н. Трушников, В.Я. Беленький, В.Е. Щавлев, А.Л. Пискунов, А.Н. Лялин // Интеллектуальные системы в производстве. - 2012. - № 1. - С. 175-181.
  10. Formation of a secondary-emission signal in electron beam welding with continuous penetration / D.N. Trushnikov, V.M. Yazovskikh, L.N. Krotov, V.Y. Belen'kii // Welding International. - 2007. - Т. 21, №. 5. - С. 384-386.
  11. Trushnikov D.N., Belen'kii V.Y. Investigation of the formation of the secondary current signal in plasma in electron beam welding with oscillations of the electron beam // Welding International. - 2013. - Т. 27, № 11. - С. 877-880.
  12. Effect of beam deflection oscillations on the weld geometry / D.N. Trushnikov, E.G. Koleva, G.M. Mladenov, V.Y. Belenkiy // Journal of Materials Processing Technology. - 2013. - Vol. 213, iss. 9. - P. 1623-1634.
  13. Trushnikov D.N., Mladenov G.M., Belenkiy V.Ya. Controlling the electron beam focus regime and monitoring the keyhole in electron beam welding // Quarterly Journal of the Japan Welding Society. - 2013. - Т. 31, № 4. - С. 91-95.
  14. Рубинович И.М., Дмитров А.А., Кисс П.Э. Использование рентгеновского излучения сварочной ванны для контроля ЭЛС // Электронно-лучевая сварка. - Л., 1988. - С. 61.
  15. Баня Е.Н., Киселевский Ф.Н., Назаренко О.К. Об использовании рентгеновских датчиков в системах направления электронного пучка по стыку // Материалы 5-й Всесоюз. конф. по электронно-лучевой сварке. - Киев: Наук. думка, 1977. - С. 126-128.
  16. Arata Y., Abe E., Fujisawa M. The observation by a fluoroscopic method // Jap. Weld. Soc. - 1976. - Vol. 5, № 1. - P. 1-9.
  17. Хараджа Ф.Н. Общий курс рентгенотехники. - М.: Энергия, 1966. - 568 с.

Статистика

Просмотры

Аннотация - 24

PDF (Russian) - 9

Ссылки

  • Ссылки не определены.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах