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单片机 控制薄板电子束焊自动熔透及焊缝跟踪的研究

时间:2013-10-21 17:26来源:未知 作者:admin 点击:
单片机 控制薄板电子束焊自动熔透及焊缝跟踪的研究

北京华 巍中兴电气有限公司  副总经理  魏  征
北京华 巍中兴电气有限公司  总工程师  魏  伦
     (此文刊登在MM现代制造杂志2007年6月北京 埃森焊接展会专刊上)
       摘要:
       本文提 出了一种薄板电子束焊接过程焊缝自动熔透及焊缝跟踪方法,与一般 的电子束控制方法不同,它通过 微机系统在焊接过程中自动寻找最佳规范以实现自适应控制。本方法中,聚焦电 流和偏转电 流是根据工件背面的漏电流来进行调节和控制的,在给定 焊接规范情况下,工件背 面漏电流未达到一定的极值意味着电子束的聚焦及对中未处在最佳状态,聚焦及 偏转电 流就会自动地进行调整,直到工 件背面漏电流达到极值,此时电 子束焊接具有最佳规范状态。
       本方法 对电子束的参数波动引起的熔透不良及偏离焊缝中心都可快速补偿,保证了焊接质量稳定。本方法 及控制装置不仅可用于双金属机锯条焊机,还可用 于双金属带锯条焊机和手锯条焊机,可提高 电子束焊机的加工稳定性与适应性。
 
       一. 前言:
       薄板电 子束焊接的应用是很广泛的,由于它具有生产率高、焊接质量好、变形小,在大量 生产中成本低等特点,目前国 外已用于双金属机锯条、带锯条、手锯条 和双金属冰刀等薄板产品的大量生产,可大幅 降低材料成本和产品使用寿命。在国内 也开展了这方面的研究工作,并可批 量生产双金属机锯条、带锯条等产品。
       在大量生产中,如何选择、稳定与控制焊接规范,进一步提高焊接质量,减少废品率,是一个 重要的研究课题。本文以 双金属锯条电子束焊机为对象,研究了 利用漏电流极值实现自动熔透控制及焊缝跟踪的方法,采用这 种自适应控制方法较好地解决了电子束焊接过程的规范稳定与焊接质量问题。
       国内外 关于电子束焊接的焊缝跟踪控制有过许多报导,但是这 些方法大都是在工件表面上方装传感器接收二次反射电子来实现焊缝跟踪的,工件上需开出V型坡口 或在焊缝处留有缝隙才可识别焊缝。这种跟 踪方法在薄板产品焊接时是不适用的,因为薄 板产品焊接一般要求严格合缝,不允许 在焊缝处开坡口或留间隙。本文提出一种新的跟踪方法,即漏电流极值跟踪法,旨在克服上述缺点。
 
       二. 研究目的及指标
       在薄板电子束焊接中,由于焊接线能量小,焊接速度高,工件较薄,可以自由收缩变形,所以产 生裂纹的倾向不大。因此,对类似 锯条这种薄件的焊接质量,要考虑的主要问题是:在满足焊接速度为4-5 M/min的条件下,保证焊 缝正反面有良好的成型。

       1. 自动保持熔透

       在薄板 电子束焊接过程中,常常产生未焊透,产生未 焊透的原因有两个:一是电 子束的焦点与工件的相对位置不合适;二是电 子束的功率不够。试验证明,当工件材料、厚度一定时,在给定焊接规范下,只有电 子束焦点与工件的相对位置是影响未焊透的主要因素。影响电 子束焦点位置不稳定的因素有:高压波动、束流波动、栅偏压波动、电子枪灯丝老化变形、聚焦电流波动。为解决上述问题,本文提 出一种利用电子束漏电流极值实现自动熔透的控制系统。在这个系统中,聚焦电 流是根据工件背面的漏电流来进行调节和控制的,在给定 焊接规范情况下,当工件 背面漏电流未达到一定的极值时,就意味 着电子束也未达到最佳的聚焦,聚焦电 流就会自动地进行调整,直到工 件背面漏电流达到极值为止,此时电 子束也达到了最佳聚焦状态。

       2. 焊缝自动跟踪

       在大量生产中,由于工 件加工精度和剩磁、焊接过程的热变形、电子枪 安装时的倾斜与偏心、施焊过 程中可能造成结构的变形,破坏原有的对中。此外,不论原 有的对中是如何完善,电子束 还是可能受到杂散磁场的偏转作用而偏离原来的位置。电子枪 灯丝使用过程中老化变形,偏离中 心亦影响电子束的对中。为解决上述问题,本文提 出一个电子束焊接过程利用漏电流极值实现焊缝自动跟踪系统。在这个系统中,偏转电 流是根据工件背面的漏电流来进行调节和控制的。在给定 焊接规范情况下,当工件 背面漏电流未达到一定的极值时,就意味 着电子束也未达到最佳的对中,偏转电 流就会自动地进行调整,直到工 件背面漏电流达到极值为止,此时电 子束也达到了最佳对中状态。
 
       三.漏电流 极值的测量方法
       本文提 出的漏电流极值自动熔透及焊缝跟踪装置,它是通 过工件背面的法拉第圆筒来接收漏电流信号的。测量电 子束焊漏电流的原理如图一所示。在电子束焊接过程中,当工件被焊透时,电子束 将穿过金属熔池中的小孔打到法拉第圆筒上,形成漏电流,漏电流 的大小与聚焦和偏转电流成一定函数关系。试验时 发现当微机控制系统逐渐增加聚焦或偏转电流时,焊缝背面出现未焊透→焊透→未焊透。测量结果表明,当漏电 流随聚焦电流或偏转电流的变化出现一个极值时,焊缝背 面出现完全熔透及良好的成形。利用微 机系统可以同时测量出聚焦电流,偏转电流和漏电流,并在CRT上显示出测量的结果,并在打 印机上打出测量的数据及曲线,见图三、图四。
 
       四. 极值熔 透及跟踪装置的原理和功能
       该装置 有一个从工件背面取漏电流信号的法拉第圆筒,因为漏 电流的强弱是与聚焦或偏转线圈的电流成一定函数关系的。将漏电 流信号转换成电压,微机系 统对这个电压信号进行采样并与前一次采样的电压值进行比较,并调节 聚焦或偏转电流,直到工 件背面的漏电流达到极值为止,此时电 子束也达到了最佳聚焦和对中状态。

       1. 线路原理

       为了使 电子束焊机具有自动熔透及跟踪功能,所设计 的微机控制系统如图二所示。
       a.传感器:它是一 个专门接收漏电流的法拉第圆筒,通过电 路转换将电压变化信号送至微机系统,以判断漏电流的大小。由于漏 电流值是和聚焦或偏转电流成一定函数关系的,所以传感器①的漏电 流信号变化实际上可以起到监控电子束聚焦情况或对中位置变化的作用。
       b.滤波装置:由于漏 电流是由电子束穿透工件后,由工件 背面接收到的信号,此信号 是一个不规则的脉动信号,需要进行滤波,否则系 统将会出现失控现象,图二中的②就是一 个专门设计的滤波装置。
       c.峰值电平控制:在连续 焊接断料锯条时,在两段 料之间的间隙处电子束直接打到法拉第圆筒上,会产生 一个高的电压信号。峰值电 平控制环节的作用是将高电压信号限制在一定的数值,防止高 电平进入微机系统,但又不 会影响正常的漏电流极值控制。
       d.隔离反相放大环节:它是将 漏电流电压信号经过隔离、反相放大,成为微 机系统兼容的电平信号,再送到A/D转换器。
       e.A/D转换器:采用CPU内置A/D转换器 与微机总线之间进行数据交换。
       f.微处理机:采用单 片微机作为整个控制系统的核心,在程序 控制下完成漏电流测量、自动熔透及跟踪控制。
       g.D/A转换器:其功能 是将单片机送出的调节量由数字量变换成模拟量,经放大 后送入聚焦线圈或偏转线圈驱动电路。
       2.微机程序
       整个系 统的控制都是在CPU程序控制下,完成漏电流信号采样,A/D转换,数据处理,D/A转换,聚焦电 流或偏转电流调节,其特点如下:
       a.系统自动寻极值软件,判断准确,动态性能优良。
       b.所设计 的软件数字滤波措施可有效防止漏电流脉冲干扰可能引起的系统失控。
       c.系统数 据处理软件对锯条断料送进间隙处漏电流突然变化量具有自适应处理功。
 
       五.试验结果及讨论
       双金属 机锯条的刃部采用高速钢(W18Cr4V),背部采用弹簧钢(65SiCr、60Si2Mn、60Si2MnWA),厚度为2.0mm。毛坯的 焊接面和定位面都经过磨削加工,焊前除油、除锈。焊接规范:加速电压V=80KV;束流Ib=25mA;焊接速度S=4M/min;真空室压力5×10-2~5×10-3mmHg .在双金 属锯条电子束焊机上进行了如下试验。
       1. 漏电流 与聚焦电流之间的函数关系
       采用微 机系统对焊接过程中的漏电流与聚焦电流进行在线实时测量。试验时 微机系统自动由小到大调节聚焦电流,此时工 件背面的漏电流出现一个极大值,见图三,此极值 点正是焊缝背面熔透最佳点。
       2. 漏电流 与偏转电流之间的函数关系
       试验时 当微机系统自动由小到大调节偏转电流时,此时工 件背面的漏电流亦出现一个极大值,见图四,此极值 点也正是电子束对准焊缝中心的最佳点。
       3. 漏电流极值的特点
       在焊接过程中,当聚焦 电流或偏转电流由小到大变化时,漏电流 都出现一个极大值,其特点如下:
       a.当漏电流为极值时,焊缝正面最窄,背面最宽。漏电流为零时,焊缝背面未焊透,而正面变宽。
       b.当漏电流为极值时,形成窄而平行的焊缝,焊缝正反面成形好,接头的 刀弯与角变形量最小。
       c.焊接薄板时,可以利 用漏电流极值的特点,对焊接 规范与焊接质量进行控制。
 
       六. 结论
       1.本文提 出的漏电流极值自动熔透控制方法,在电子束参数波动时,仍可保 证工件背面自动熔透,正反面成形良好,焊接质量最佳。
       2.本文提 出的漏电流极值焊缝跟踪控制方法,在电子束参数波动时,仍可将 电子束对中在焊缝处。
       3.本方法 为焊接工艺人员提供了一种自动寻找最佳焊接规范的手段,可减少大量工艺试验,避免那种非常费时,很难找 出最佳规范的作法。
       4.本文提 出的漏电流极值熔透及焊缝跟踪方法是一种有效的控制方法,此方法 不仅用于双金属机锯条电子束焊机,还可用 于双金属带锯条及手锯条电子束焊机,可提高 电子束焊机的加工稳定性与适应性。
 

 
 

                                                                                                           
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