CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Temat: Opracowanie metod kształtowania quasi-wielokrotnej wiązki elektronowej pod kątem zastosowania w wybranych materiałach i konstrukcjach Kierownik Tematu: dr inż. Katarzyna Olszewska Zespół badawczy: dr inż. K. Olszewska, mgr inż. A. Czopik, mgr inż. S. Krawczyk, mgr inż. A. Kulabko , M. Jędrzejczyk, L. Matyszewski, W. Kożuchowski

CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Cel pracy: Rozszerzenie zastosowań WE dużej mocy jako nowoczesnego narzędzia w dziedzinie spawania 1. Dobór parametrów quasi wielokrotnej WE dla spoin obwodowych (określenie maksymalnych średnic spawania, opracowanie przykładowej technologii) 2. Dobór parametrów quasi wielokrotnej WE dla obróbki cieplnej spoiny przed i po spawaniu, celem ograniczenia pęknięć i wad spoiny (określenie możliwości stosowania, opracowanie przykładowej technologii)

Quasi-wielokrotna WE Wykonywanie spoin obwodowych CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Quasi-wielokrotna WE Wykonywanie spoin obwodowych Spawanie z obróbką cieplną

Spoiny wykonywane po okręgu CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Spoiny wykonywane po okręgu Ważniejsze parametry: Średnica spoiny Ilość punktów figury Prędkości spawania Krotność WE Prąd WE

Średnica spoiny kąt odchylenia WE odległość robocza CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Średnica spoiny kąt odchylenia WE rozmiar zaprojektowanej figury dobór wielkości wzmocnienia układu odchylania WE (0-65535) odległość robocza lepsze spoiny otrzymuje się przy krótszych odległościach roboczych duże odchylenie WE powoduje powstawanie aberracji w punkcie ogniskowania oraz odchylenie spoiny od pionu

CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Ilość punktów figury Tab. 1. Odległość w [mm] między kolejnymi punktami na okręgu o średnicy  przy liczbie punktów n [mm] n 256 512 1024 2048 4096 8192 30 0,37 0,18 0,092 0,046 0,023 0,012 50 0,61 0,31 0,15 0,075 0,038 0,019 80 0,98 0,49 0,25 0,12 0,061 0,031 100 1,23 0,077 średnica WE 0,5  1,0 mm (w zależności od mocy WE) niewłaściwy dobór powoduje przerwy w spoinie

CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Prędkość spawania częstotliwość kreślenia figury w Hz Tab. 2. Czas postoju WE w [ms] w jednym punkcie dla figur złożonych z n punktów przy częstotliwości ich kreślenia f n f [Hz] 0,07 0,14 0,28 0,56 1024 13,95 6,98 3,49 1,75 2048 0,87 4096 0,44 8192 1,74 0,22

Krotność wiązki Prąd WE CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Krotność wiązki Aby zachować taką sama prędkość liniową spawania jak przy pojedynczej WE częstotliwość powinna wzrosnąć k (krotność WE) razy gdyż czas trwania spawania całego okręgu jest równy czasowi spawania 1/k okręgu i jeśli nie zostanie zmieniony rzeczywista prędkość spawania zmaleje k razy Prąd WE wartość jest zależna od krotności WE i liczby punktów w figurze Biorąc pod uwagę czas postoju WE w jednym punkcie należy przypuszczać, że przy dużej liczbie punktów i wielokrotnym podziale WE wielkość mocy, którą należy dostarczyć do wykonania spoiny o odpowiedniej głębokości będzie na tyle duża, że będzie to nieopłacalne nawet przy znacznym skróceniu wykonywania całej operacji

CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Okrąg z 1024 punktów kreślony przez quasi 8 wiązek jednocześnie Okręgi z 2048 punktów kreślone przez quasi 2 i 3 wiązki jednocześnie Cztery okręgi po 1024 punkty każdy kreślone jednocześnie

CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Dwa okręgi kreślone równocześnie (wiązka podzielona na 2) Dwa okręgi podzielone na 6 części kreślone kolejno (najpierw zewnętrzny) Dwa okręgi podzielone na dwie części każdy kreślone równocześnie w dwóch punktach (wiązka podzielona na 4)

CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Okrąg 512 punktów Okrąg 2048 punktów Okrąg 256 punktów Okrąg 1024 punkty Spoiny na stali dla figur o maksymalnych wymiarach (r = 99) przy częstotliwości kreślenia f = 0,07 Hz i amplitudzie wzmocnienia A = 40000, średnica spoiny  = 80 mm w odległości 225 mm od cewek odchylających, kąt odchylenia WE 10,08°

b c a c a b CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Okrąg z 1024 punktów: a) quasi podwójna WE b) quasi poczwórna WE c) quasi ośmiokrotna WE c a b Okrąg z 8192 punktów: a) quasi podwójna WE b) quasi poczwórna WE c) quasi ośmiokrotna WE A = 25000,  = 50 mm, f = 0,14 Hz; 0,28 Hz i 0,56 Hz dla 2, 4 i 8 WE Ia = 20,5 mA co przy pojedynczej WE dałoby przetop ok. 3 mm

CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Przebieg prądu w cewkach odchylających podczas przeskoku WE realizującej quasi wielokrotność: dwukrotna WE i trzykrotna WE Okręgi (1024+1024) kreślone równocześnie quasi poczwórną WE Wpływ wielkości opornika tłumiącego przesterowanie prądu w cewkach na czas przeskoku WE realizującej quasi wielokrotność: pełne tłumienie przeregulowań, opornik usunięty

b c a CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Okrąg z 1024 punktów: a) pojedyncza WE b) quasi podwójna WE c) quasi potrójna WE Spoiny wykonano przy amplitudzie wzmocnienia A = 25000 co dało  = 52 mm przy odległości 225 mm od cewek odchylających a) f = 0,08 Hz , Ia = 23 mA b) f = 0,14 Hz , Ia = 41 mA c) f = 0,14 Hz , Ia = 47,5 mA Grubość blachy 4 mm, średnica grani spoiny  = 52,9 mm

b c a CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Okrąg z 2048 punktów: a) pojedyncza WE b) quasi podwójna WE c) quasi potrójna WE Spoiny wykonano przy amplitudzie wzmocnienia A = 25000 co dało  = 52 mm przy odległości 225 mm od cewek odchylających a) f = 0,08 Hz , Ia = 25 mA b) f = 0,14 Hz , Ia = 51 mA c) f = 0,14 Hz , Ia = 55 mA Grubość blachy 4 mm, średnica grani spoiny  = 52,9 mm, kąt odchylenia WE 6,6°

CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Instrukcja technologiczna Opis działania OBS Przełączenie układu obserwacji w tryb obserwacji FIO 0 15 0.1 25000 - Włączenie figury 15 z banku 0 o częstotliwości 0.1Hz i amplitudzie 25000 z kierunkiem obrotu CCW. (Okrąg złożony z 2048 punktów bez podziału WE) WIZ 23 Ustawienie prądu żarzenia na 23 A WUA 80 Ustawienie napięcia anodowego na 80 kV WOG 400 Ustawienie prądu ogniskowania na 400 mA WIA 2 1 Ustawienie prądu WE na 2 mA w czasie 1 s do obserwacji PSE Przerwa w wykonywaniu programu na dokonanie właściwych ustawień przedmiotu spawanego względem WE OBW Przełączenie układu obserwacji w tryb spawania FIO 2 0 0.16 25000 - Włączenie figury 0 z banku 2 o częstotliwości 0.16 Hz i amplitudzie 25000 z kierunkiem obrotu CCW. (Okrąg złożony z 2048 punktów z podwójnym podziałem WE) WOG 384 Ustawienie prądu ogniskowania na 384 mA WIA 33 2 Ustawienie prądu WE na 33 mA w czasie 2 s STP 7 Przerwa czasowa na wykonanie połowy obrotu z zakładką co przy wybranym podziale WE daje całą spoinę WIA 0 3 Wygaszenie WE w czasie 3 s Przerwa w wykonywaniu programu na obejrzenie wykonanej spoiny WUS 0 Wyłączenie zasilacza WN FIS Wyłączenie figury

Wnioski dla spoin obwodowych CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Wnioski dla spoin obwodowych Należy projektować figury o maksymalnych wymiarach i regulować ich rozmiar za pomocą amplitudy wzmocnienia. Ze względu na parametry WE (duże odchylenie WE powoduje powstawanie aberracji w punkcie ogniskowania oraz odchylenie spoiny od pionu) niewskazane jest przekraczanie średnicy spoiny  = 80 mm i odchylenia WE więcej niż 10°. Graniczną liczbą punktów tworzących jednolitą spoinę o średnicy  = 80 mm jest 1024. Biorąc pod uwagę ilość mocy niezbędnej do uzyskania pełnego przetopu przy opracowywaniu procedur technologicznych należy stosować, w zależności od średnicy spoiny, figury o liczbie punktów 1024 lub 2048 i nie przekraczać 3 krotnego podziału WE. Należy się liczyć z nieznacznym uszkodzeniem powierzchni spawanego detalu po wewnętrznej stronie spoiny wynikającym z czasu narastania prądu w cewkach przy przeskoku WE realizującego quasi wielokrotność.

Quasi wielokrotna WE do spawania z obróbką cieplną CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Quasi wielokrotna WE do spawania z obróbką cieplną Rodzaje obróbki cieplnej za pomocą WE: zmieniająca własności mechaniczne materiału poprzez przemiany strukturalne bez naruszenia jego powierzchni; zmieniająca strukturę samej spoiny poprzez dodatkowe jej wygrzanie z powierzchniowym topieniem włącznie Parametry: Kształt figury do obróbki cieplnej (punkt + figura) Rozdział punktów w figurze Częstotliwość Rozmiar figury (proporcje między odległością punktu od figury grzejącej i rozmiarem figury grzejącej)

z czego 128 jest w elipsach (oczko) CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej z czego 128 jest w elipsach (oczko) z czego 256 jest w 4 okręgach. z czego 256 jest w prostych Figury składające się z 2048 punktów z czego 128 jest w 4 okręgach.

Spoiny z obróbką cieplną po spawaniu CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Figury 2048 punktowe - od lewej: punkt + 4 elipsy po 64 punkty; punkt + 4 okręgi po 64 punkty; punkt + 2 elipsy po 64 punkty (oczko); punkt + 2 koła po 64 punkty (oczko) Figury 2048 punktowe - od lewej: punkt + 4 elipsy po 32 punkty; punkt + 4 okręgi po 32 punkty; punkt + 2 elipsy po 32 punkty (oczko); punkt + 2 koła po 32 punkty (oczko) A = 15000 f = 55 Hz Ia = 21,5 mA v = 0,7 m/min Spoiny z obróbką cieplną po spawaniu

Spoiny z obróbką cieplną przed i po spawaniu CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Kolejność wykonywania poszczególnych elementów figury: grzanie przed spoiną - 4 okręgi (elipsy) po 32 punkty; spawanie - 896 punktów; grzanie spoiny - 4 okręgi (elipsy) po 32 punkty; spawanie - 896 punktów Punkt + 2 x 4 okręgi (elipsy) współśrodkowe do wygrzewania przed i po spawaniu Spoiny z obróbką cieplną przed i po spawaniu z amplitudą wzmocnienia – od lewej: 10000; 15000; 7500 f = 55 Hz Ia = 21,5 mA v = 0,7 m/min Spoiny z obróbką cieplną przed i po spawaniu

CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Instrukcja technologiczna Opis działania OBS Przełączenie układu obserwacji w tryb obserwacji NOC 90 37 18 + Włączenie obrotnika z prędkością liniową spawania 90 cm/min na średnicy 37 mm przy przekładni 1:18 w kierunku CW WIZ 23 Ustawienie prądu żarzenia na 23 A WUA 80 Ustawienie napięcia anodowego na 80 kV WIA 3 1 Ustawienie prądu WE na 3 mA w czasie 1 s do obserwacji WOG 400 Ustawienie prądu ogniskowania na 400 mA PSE Przerwa w wykonywaniu programu na dokonanie właściwych ustawień przedmiotu spawanego względem WE RST Włączenie rejestracji parametrów spawania OBW Przełączenie układu obserwacji w tryb spawania FIO 3 15 55 7500 - Włączenie figury 15 z banku 3 o częstotliwości 55 Hz i amplitudzie 7500 z kierunkiem obrotu CCW. (Punkt + 2 x 4 okręgi współśrodkowe do wygrzewania przed i po spawaniu) WIA 25 1 Ustawienie prądu WE na 25 mA w czasie 1 s NOD 362 18 Odliczanie kąta obrotu detalu (362°) przy przekładni 1:18 WIA 0 2 Wygaszenie WE w czasie 2 s RSP Zapisanie zarejestrowanych danych na HDD FIS Wyłączenie figury Przerwa w wykonywaniu programu na obejrzenie wykonanej spoiny WUS 0 Wyłączenie zasilacza WN NOS 0 Wyłączenie obrotnika

Wnioski dla spawania z obróbką cieplną CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Wnioski dla spawania z obróbką cieplną Rozmiar figury wygrzewającej na etapie projektowania nie powinien przekraczać 20 jednostek Najlepsze rezultaty uzyskuje się dla figur zawierających 4 elipsy lub 4 okręgi, przy czym przy zastosowaniu elementów 32 punktowych otrzymuje się gładsze lico spoiny Częstotliwość 55Hz zapewnia odpowiednią ciągłość procesu przy niezdeformowanych kształtach figurek wygrzewających

Podsumowanie CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Przeprowadzone badania pozwoliły ocenić możliwości i zakres stosowania quasi wielokrotnej WE do wykonywania spoin obwodowych oraz spoin z obróbką cieplną Poznanie skutków zmiany poszczególnych parametrów wykonywania spoin za pomocą figur kreślonych przez WE umożliwia świadome ich wykorzystanie przy opracowywaniu technologii spawania elementów i materiałów o specjalnych wymaganiach Konstrukcja programu do projektowania figur oraz oprogramowania sterującego spawarką stwarzają bogate możliwości tworzenia, przechowywania i prostej wymiany stosowanych figur Uzyskane wyniki pozwalają włączyć quasi wielokrotną WE do standardowych narzędzi stosowanych w urządzeniu do projektowania i badania procesów spawania i termicznej obróbki metali i ich stopów za pomocą wysokoenergetycznej wiązki elektronów znacznie rozszerzając obszar jej zastosowań

CENTRUM TECHNOLOGII PRÓŻNI - Zakład Techniki Próżniowej Dziękuję za uwagę