Управление процессами сварки концентрированными потоками энергии

Э.А. Гладков, И.Н. Шиганов, В.Н. Ластовиря

Управление 
процессами сварки 
концентрированными 
потоками энергии

Учебное пособие

УДК 621.791
ББК 30.61
          Г52

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/47/book1727.html

Факультет «Машиностроительные технологии»
Кафедра «Технологии сварки и диагностики»

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Рецензент
д-р техн. наук, профессор кафедры «Информационные и управляющие системы» 
Волгодонского инженерно-технического института — филиала Национального 
исследовательского ядерного университета «МИФИ» А.В. Чернов

Гладков, Э. А.
Управление процессами сварки концентрированными потоками энергии : 

учебное пособие / Э. А. Гладков, И. Н. Шиганов, В. Н. Ластовиря. — Москва : 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. — 111, [3] с. : ил.

        ISBN 978-5-7038-4773-2

Рассмотрены физические особенности процессов при электронно-лучевой и 
лазерной сварке. Дано описание этих процессов как объектов управления. Представлен перечень основных управляющих и возмущающих воздействий на объекты 
при электронно-лучевой и лазерной сварке. Перечислены основные типы систем 
управления процессами сварки, даны примеры их структурной и функциональной 
организации. Рассмотрены технические средства контроля и управления технологическими параметрами в этих системах при их функционировании. Описаны технические решения траекторных задач при автоматических способах электронно-лучевой и лазерной сварки.
Для студентов, обучающихся по специальностям «Проектирование технологических машин и комплексов» и по направлениям подготовки бакалавров и магистров «Лазерная техника и лазерные технологии». Может быть использовано при 
выполнении научно-исследовательских работ, домашних заданий, курсовых и дипломных проектов.

УДК 621.791
ББК 30.61

 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

 
© Оформление. Издательство 

ISBN 978-5-7038-4773-2 
     МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

Г52

Предисловие

Издание подготовлено как дополнительный материал в соответствии с 
положением Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования, в котором сформулированы требования к 
обязательному минимуму содержания основных образовательных программ 
подготовки дипломированного специалиста по специальности «Проектирование технологических машин и комплексов» (специализации 15.05.01_07 
«Проектирование технологических комплексов в сварочном производстве» 
и 15.05.01_11 «Контроль и управление качеством в сварочном производстве»), а также по направлениям подготовки бакалавров 15.03.01 «Машиностроение» (профиль 05 «Лазерные аддитивные технологии»), 12.03.05 
«Лазерная техника и лазерные технологии»; по направлениям подготовки 
магистров 12.04.05 «Лазерная техника и лазерные технологии» и 15.04.01 
«Машиностроение» (профиль 01 «Технология и оборудование сварочных 
процессов»).
Материал пособия соответствует отдельным разделам учебного плана по 
дисциплинам «Управление процессами и оборудованием при сварке», «Разработка систем управления лазерных комплексов», «Управление техническими системами».
Учебной целью пособия является реализация компетентностного подхода к освоению образовательной программы дисциплины. В частности, 
формирование у студентов профессионально значимых компетенций в области управления процессами сварки концентрированными источниками 
энергии.
Изучение материалов пособия предполагает знание базовых фундаментальных наук и общих вопросов управления процессами сварки и теории 
автоматического управления.
В учебном пособии рассмотрены вопросы обеспечения качества электронно-лучевой сварки (глава 1) и лазерной сварки (глава 2) ответственных 
изделий из высоколегированных сталей и различных сплавов, применяемых в ряде отраслей промышленности: атомной, авиационной, судостроительной, автомобильной и тяжелой. Для проверки усвоения изложенного 
материала в конце каждой главы даны вопросы для самоконтроля.

Введение

Методы электронно-лучевой (ЭЛС) и лазерной (ЛС) сварки основаны 
на использовании высококонцентрированных источников энергии. В отличие от традиционных дуговых методов и газопламенной обработки для 
ЭЛС и ЛС характерна высокая плотность мощности на уровне 1∙106 Вт/см2, 
что на несколько порядков выше, чем могут дать традиционные источники. 
За последние 15–20 лет при комплексном исследовании и внедрении ЭЛС 
и ЛС установлены экономически выгодные области их использования. Для 
ЛС это изделия с толщиной стенки 1…3 мм, для ЭЛС — 5 мм и более. Эти 
способы сварки конкурентоспособны при производстве ответственных изделий из алюминиевых и медных сплавов. Существенное преимущество  
ЛС — повышенная гибкость процесса из-за отсутствия требований к созданию вакуума.
Значительное повышение надежности и качества ЭЛС и ЛС достигнуто за последние годы в результате автоматизации и компьютеризации этих 
процессов. Созданы гибкие автоматизированные комплексы со средствами 
компьютерного мониторинга за процессом сварки и со средствами машинной обработки информации о процессе. Это позволило упростить настройку и управление сложным оборудованием, выполняемые оператором, и как 
следствие — снизить требования к его квалификации. 
Оснащение оборудования для ЭЛС и ЛС системами автоматического регулирования дало возможность автоматизировать весь цикл сварки, стабилизировать параметры процесса при действии различных технологических 
возмущений и управлять ими. В реальном времени решены задачи геометрической и технологической адаптации параметров сварочного оборудования к аномалиям положения и геометрии сборки свариваемого стыка.

ГЛАВА 1 

Контроль и управление процессом 
электронно-лучевой сварки

1.1. Физические и технологические основы электронно-лучевой 
сварки как объекта управления

Генерация электронного пучка

В основе ЭЛС лежит воздействие мощного пучка электронов на обрабатываемую поверхность. Генерация пучка электронов как технологического 
инструмента осуществляется в генераторе — электронной пушке. Этот процесс можно представить в виде последовательности действий:

• получение свободных электронов;
• ускорение электронов электростатическим полем и формирование  
пучка;

• изменение поперечного сечения пучка путем его фокусировки на обрабатываемой поверхности (компрессия мощности в пятне нагрева малого 
размера);

• отклонение пучка электронов для обеспечения заданной траектории 

перемещения пятна нагрева по обрабатываемой поверхности.
Электрон как физическая частица может быть получен эмиссией из твердого, жидкого и газообразного вещества. Процесс выхода электронов с поверхности при нагреве твердых тел (металлов) называется термоэлектронной 
эмиссией. Этот вид эмиссии электронов получил наибольшее распространение. Эмиттерами служат накальные металлические катоды. Достижимая 
плотность тока термоэлектронной эмиссии нагретого тела (плотность тока 
насыщения) зависит от температуры по закону Ричардсона — Дэшмана:

 
j
AT
kT
T
e
e
=
−
(
)
2 exp
,
ϕ

где А — эмиссионная постоянная Ричардсона, А/(м 2 ⋅ K 2); Т — температура, K; 
eϕ  — работа выхода электрона для данного материала, Дж;  k = 1,38 ⋅ 10–23 — 
постоянная Больцмана, Дж/K.

Для заданной температуры закон Ричардсона — Дэшмана позволяет рассчитать плотность тока эмиссии только при условии, что напряженность 
электрического поля у поверхности эмиссии достаточна для того, чтобы удалить от нее все эмитировавшие электроны. Если это условие не выполняется, 
то вылетевшие электроны, скапливаясь у поверхности эмиттера, образуют 

отрицательный пространственный заряд, ограничивающий ток термоэлектронной эмиссии. Наблюдается подобное при малых напряжениях между катодом (эмиттером) и анодом.

Расчеты по закону Ричардсона — Дэшмана показывают, что для получения требуемых плотностей тока (0,1…10 A/см 2) необходимо иметь температуру катода порядка 2400…3000 K. В связи с этим в качестве катодов можно использовать только материалы с высокой температурой плавления, например 
тугоплавкие металлы — вольфрам и тантал.

Катоды электронных пушек. Существуют две конструктивные схемы исполнения катодов: прямонакальные и с косвенным подогревом.
Прямонакальные катоды более просты в изготовлении. Нагрев катода осуществляется током, непосредственно протекающим через катод. Температуру разогрева можно регулировать изменением протекающего тока. Подобная 
схема нагрева определяет присущие прямонакальным катодам недостатки. 
Во-первых, невозможно обеспечить равномерность нагрева из-за теплоотвода в местах токоподвода и крепления катода. Во-вторых, вследствие больших 
значений (десятки ампер) протекающего тока возникает заметное магнитное 
поле, которое отклоняет эмитированные электроны от оси электронно-оптической системы. Это вызывает сдвиг всего пучка. Переменный ток раздваивает пучок. Для компенсации сдвига вводят специальные конструктивные 
решения и различные устройства, применяют бифилярные катоды.
Лучшие результаты дает схема косвенного подогрева катода (рис. 1.1), который осуществляется за 
счет излучения теплоты от некоторого подогревателя. 
Основной способ подогрева катода К — электронная 
бомбардировка. Для этого вводят вспомогательный 
катод ВК прямого накала (обычно в виде спирали), 
и между ним и основным катодом создается разность 
потенциалов Uб, ускоряющая термоэлектроны в направлении основного катода. Электроны бомбардируют его поверхность и разогревают до температуры, 
которая определяется интенсивностью электронного 
потока. Необходимо предусмотреть стабилизацию 
тока бомбардировки катода для обеспечения стабильной эмиссии основного катода. Катоды с косвенным подогревом имеют более равномерное распределение по поверхности плотности тока термоэлектронов, чем прямонакальные.
Схемы генераторов. В задачу генератора входит ускорение эмитировавших 
электронов и формирование электронного потока в пучок электронов электрическими и магнитными полями, которые являются электронными линзами. Независимо от конструктивной схемы генераторы сварочных пучков 
должны удовлетворять общим требованиям. Эти требования сводятся к следующему:

• малое (от долей миллиметра до миллиметров) сечение пучка в плоскости мишени, то есть обрабатываемого изделия;

• возможность плавной регулировки мощности (тока пучка) от нуля до 

некоторого максимального значения;

Рис. 1.1. Схема косвенного подогрева катода 
электронной бомбардировкой

• простота, экономичность и долговечность конструкции;
• хорошие вакуумные свойства материала электродов, немагнитного 

и допускающего прогрев до высоких температур без выделения паров и 
газов.
Современные электронные пушки строятся по двухлинзовой схеме  
(рис. 1.2). Выбирая в качестве первой сильную (короткофокусную) линзу Л1, 
можно обеспечить за счет большой угловой апертуры значительное уменьшение изображения CD катода К. Электроны, эмитировавшие со скоростью v0 из краев катода К под разными углами к нормали его поверхности, 
сходятся в точках С и D, формируя его изображение. Дополняя такую линзу 
второй, сравнительно слабой (длиннофокусной) линзой Л2, можно удовлетворить конструктивному требованию заданного расстояния до мишени М. 
Кроме того, поскольку нас интересует не собственно изображение катода, а 
степень концентрации его тока термоэлектронов, вторую линзу можно настроить на формирование изображения наименьшего сечения пучка АВ между первой и второй линзой (кроссовер — фокус первой линзы в пространстве 
изображений). Радиус кроссовера может быть в десятки раз меньше радиуса катода. Поэтому именно кроссовер является объектом второй линзы для 
формирования его изображения А'В' на мишени.

Рис. 1.2. Схема двухлинзового генератора пучка:

 — траектория электронов, эмитировавших по нормали к поверхности; 
 — траектория электронов на границе пучка; 
 — эквипотенциальные линии электрического поля; 

 — средняя плоскость линз Л1 и Л2

Использование двухлинзовой схемы генератора с рассмотренной настройкой позволяет сравнительно просто получить в плоскости мишени сечение пучка электронов радиусом порядка 0,1 мм при радиусе катода порядка 
единиц миллиметров.
Первая линза, помимо формирования изображения катода, должна ускорять эмитирующие электроны. Поле этой линзы должно доходить до поверхности катода и подхватывать испускаемые им электроны. Таким образом, 
катод оказывается как бы погруженным в поле первой линзы. С оптической 
точки зрения, она является иммерсионным объективом. Необходимость 
ускорения электронов делает ее принципиально электростатической. Вторая линза генератора может быть как электростатической, так и магнитной, в 
виде магнитной катушки с током, поскольку ускорение электронов осуществлено и необходима только фокусировка пучка на мишени.

Электростатическая часть генератора содержит катод К, блок управляющих (фокусирующих) электродов УЭ и анод А (рис. 1.3). Если управляющие 
электроды имеют потенциал катода (в этом случае принято их называть фокусирующими), то генератор называют двухэлектродным (катод — анод). Он 
не обладает фокусирующими свойствами. Если потенциалы управляющих 
электродов (UУЭ < 0) отличны от катодного (UК = 0), то генератор называют многоэлектродным. Обычно электронная пушка имеет один управляющий электрод и является трехэлектродной. Она обладает фокусирующими 
свойствами благодаря форме электростатического поля, эквипотенциали 
которого показаны на рисунке сплошными линиями. На электроны, кроме 
составляющей силы вдоль оси Z, действует поперечная составляющая поля, 
двигающая электроны перпендикулярно оси. Наибольшее распространение 
имеют генераторы аксиального типа, у которых все элементы конструкции, 
электроды и создаваемые электростатические и магнитные поля имеют осевую симметрию.

Рис. 1.3. Схема первой электростатической линзы генератора пучка:

 
— 
траектория 
электронов, 
эмитировавших 
по 
нормали 
к 
поверхности;  

 — траектория электронов на границе пучка; 
 — эквипотенциальные линии электрического поля

Генератор электронных лучей называют электронным прожектором 
(электронно-лучевые трубки), а генератор мощного пучка, имеющего форму, — электронной пушкой. Часто электронной пушкой называют функционально законченное устройство, формирующее пучок как термический 
инструмент и включающее, кроме генератора, множество других элементов.
Если предположить, что электроны, покидающие катод, имеют одина
ковую начальную скорость v0, то кроссовер АВ (см. рис. 1.2) формируется в 
виде круга, который является четкой границей наименьшего сечения пучка 
с радиусом rc:

 
r
l
U
U
c
c
=
0

у
,  U
k T
0
3
2
=
e
,  
(1.1)

где lс — расстояние от поверхности катода до плоскости кроссовера; Uу — 
ускоряющее (анодное) напряжение; k — постоянная Больцмана; T — температура катода; e — заряд электрона. Типичная для эмиссии электронов температура Т = 2800 K дает начальную скорость эмитировавших электронов, 

которая эквивалентна разности потенциалов ускоряющего электрического 
поля U0 = 0,36 B.

Выражение (1.1) показывает, что в первом приближении радиус кроссовера не зависит от площади эмитирующей поверхности катода и определяется только отношением начальной энергии электрона к его кинетической 
энергии в области кроссовера. В действительности поскольку эмитирующие 
электроны имеют максвелловское распределение скоростей, то в плоскости 
кроссовера формируется распределение плотности электронного потока, не 
имеющего четкой границы. Таким образом, понятие «радиус кроссовера» 
(как и «радиус пучка») становится чисто условным.
В силу пространственного заряда пучка и аберраций иммерсионного объектива радиус кроссовера в несколько раз больше расчетного, а плотность 
тока на оси существенно меньше теоретической. Кроме того, независимость 
радиуса от площади эмиссии наблюдается только при малых значениях тока. 
С ростом тока, как правило, наблюдается рост радиуса кроссовера.
Основные характеристики сварочных пучков. Основными характеристиками пучка, определяющими пригодность пушки для той или иной технологии, 
являются:

• мощность пучка W = Uу Iп, где Uу — ускоряющее напряжение электронной пушки, 
определяющее скорость электронов в пучке, 
Iп — сила тока в пучке;

• среднее значение плотности мощности 

(удельной мощности) в фокальном сечении 
пучка q
U I
rF
ср
у
п
=
(
)
π
2 , где rF  — радиус пучка с угловой апертурой α в плоскости фокуса F 
магнитной линзы (рис. 1.4);

• распределение плотности мощности q r( )  

в фокальном сечении пучка.
Для осесимметричного пучка в заданном сечении z = const характерно нормальное круговое 
распределение плотности мощности, убывающей с удалением от оси вдоль радиуса (рис. 1.5):

q r
q
r
r
( ) =
−
0

2
2
e
э,

здесь параметрами являются q0 — плотность 
мощности на оси пучка и rэ — радиус эквивалентного (по мощности) кругового пучка с равномерным распределением на отрезке (–rэ; rэ). 
Функция распределения q r( )  является обобщенной энергетической характеристикой пучка электронов как технологического инструмента для сварки и обработки.
Таким образом, если рассматривать энергетическую характеристику пучка в виде распределения q r( ), то пучок как источник нагрева 

Рис. 1.4. Сечение электронного 
пучка в окрестности фокальной 
плоскости F

Рис. 1.5. Распределение плотности мощности в фокальном 
сечении пучка:

1 — нормальное; 2 — равномерное

полностью определяется двумя параметрами: q0 и rэ. При этом если за его радиус принять радиус соответствующего эквивалентного кругового пучка, то в 
пределах круга радиуса rэ будет заключено 0,62 общей мощности пучка:

 
W
q
r dr
r q
r
r
r
r

э

э

э
э
=
=
−
∫
2
0 62
0
2
0
0

2
2
π
π
e
,
.

Это возможно, поскольку за пределами этого круга расположен ореол 
пучка с малым уровнем плотности мощности (см. рис. 1.5), который в силу 
недостатка концентрации незначительно сказывается на процессе сварки.
Регулирование мощности пучка. Одним из требований к генераторам является возможность плавной регулировки мощности пучка, равной произведению ускоряющего напряжения на ток пучка (W = Uу Iп). Это можно осуществить путем изменения либо тока пучка, либо энергии самих движущихся 
электронов, составляющих пучок.
Изменение тока пучка обеспечивается: во‑первых, регулированием площади поверхности эмиссии катода, с которой отбираются электроны для 
формирования пучка, что возможно в режиме термоэлектронной эмиссии, 
ограниченной пространственным зарядом; во‑вторых, регулированием плотности тока термоэлектронов, которая в режиме насыщения зависит от температуры Т нагрева катода. Площадь поверхности эмиссии электронов, составляющих пучок, определяется значением отрицательного относительно 
катода потенциала управляющего электрода UУЭ, находящегося в непосредственной близости к катоду.
Энергия частиц, составляющих пучок, определяется значением ускоряющего потенциала Uу на оси электростатической линзы. Отсюда возможны три 
способа регулирования мощности технологических пучков:

1) потенциалом управляющего электрода относительно катода (UУЭ = var, 
T = const, Uу = const);

2) температурой нагрева катода (UУЭ = const, T = var, Uу = const);
3) ускоряющим потенциалом анода генератора относительно катода  
(UУЭ = const, T = const, Uу = var).
Регулирование мощности пучка по первому способу возможно в генераторах с тремя и более электродами по аналогии с электронными лампами 
(триодами и т. д.), где потенциал управляющей сетки изменяет силу проходящего через лампу анодного тока от нуля до максимума. Суть регулирования 
заключается в том, что, изменяя конфигурацию поля электростатической 
линзы, можно заметно изменять характер движения электронов и их траектории. Проще всего это сделать в прикатодной области, где скорости электронов малы, так как в этом случае потребуются незначительные изменения 
поля линзы и затраты мощности. Быстродействие данного способа регулирования составляет приблизительно 10–2 с.
Поле в прикатодной области определяется конфигурацией, взаимным 
расположением и потенциалами трех основных электродов: самого катода 
(UК = 0), диафрагмы с круглым отверстием — управляющего электрода (модулятора) с потенциалом UУЭ < UК, а также анода (в виде цилиндра или конуса