Математическое моделирование системы отслеживания шва в сварке электронным пучком
В ходе исследований разработана математическая модель системы отслеживания шва в сварке электронным пучком. Экспериментально доказана эффективность применения данной модели к любой электронно-сварочной установке. Для простейшего детектора излучения (пластины-детектора) без использования физических фильтров были получены электронные изображения сварных швов, отличающиеся высокой четкостью. Эмпирически доказана независимость сканирования от механических характеристик электронно-сварочной установки. Доказано, что отсутствие источников электронов с необходимой мощностью пучка не является препятствием для получения достаточного качества измерений.
Введение…………………………………………………………………………………………… 17
1 Физические основы сканирования поверхности электронным пучком 21
1.1 Электроны, рассеянные упруго от поверхности изделия ……………. 23
1.2 Электроны, испытавшие неупругое рассеяние …………………………… 24
1.3 Эффект поглощения …………………………………………………………………. 25
2 Оценка разрешающей способности метода измерения профиля
поверхности объекта сканированием электронным пучком ………………………….. 26
2.1 Связь радиационного контраста и пространственного разрешения
…………………………………………………………………………………………………………………. 27
2.2 Вид принимаемых сигналов в электронной микроскопии ………….. 28
2.3 Перспективы развития систем сканирования поверхности
электронным пучком ………………………………………………………………………………… 29
3 Детектор электронов ………………………………………………………………………. 32
3.1 Детектор вторичных электронов типа Эверхарта-Торнли (SE) …… 32
3.2 Регистратор электронов для работы в режиме низкого вакуума
(LVSTD) …………………………………………………………………………………………………… 34
3.3 Детекторы обратно отражённых электронов (BSE) ……………………. 35
3.4 Полупроводниковый BSE-детектор (LE 4Q-BSE) ……………………… 38
3.5 Катодолюминесцентные детекторы (CL) …………………………………… 40
3.6 Детектор вторичных ионов (SITD) ……………………………………………. 44
4 Техническая реализация эксперимента …………………………………………… 48
4.1 Устройство растрового электронного микроскопа …………………….. 48
4.2 Экспериментальная установка электроннолучевой 3D печати …… 49
4.3 Детектор излучения ………………………………………………………………….. 50
4.4 Формирование растровых изображений ……………………………………. 50
4.5 Тестовый эксперимент ……………………………………………………………… 51
5 Эксперимент ………………………………………………………………………………….. 54
5.1 Параметры измерения и оборудование ……………………………………… 54
5.2. Проведение эксперимента ……………………………………………………….. 56
5.3. Математическая модель системы отслеживания шва в сварке
электронным пучком ………………………………………………………………………………… 59
6. Раздел «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение»…………………………………………………………………………………….. 64
6.1. Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения
6.2. SWOT-анализ …………………………………………………………………………… 67
6.3. Планирование научно-исследовательских работ ……………………….. 70
6.3.1. Структура работ в рамках научного исследования ……………………. 70
6.3.2. Определение трудоемкости выполнения работ …………………………. 71
6.3.3. Разработка графика проведения научного исследования …………… 72
6.4. Бюджет научно-технического исследования …………………………….. 75
6.4.1. Расчет материальных затрат НТИ …………………………………………….. 75
6.4.2. Расчет затрат на специальное оборудование для научных
(экспериментальных) работ………………………………………………………………………….. 76
6.4.3. Основная заработная плата исполнителей темы ……………………….. 77
6.4.4. Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) …. 78
6.4.5. Формирование бюджета затрат научно-исследовательского
проекта………………………………………………………………………………………………………… 78
6.5. Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой,
бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования ……… 79
7. Раздел «Социальная ответственность» ………………………………………….. 82
7.1. Производственная безопасность …………………………………………………. 82
7.1.1. Анализ выявленных вредных факторов при разработке и
эксплуатации проектируемого решения ……………………………………………………….. 82
7.1.1.1 Нехватка естественного света, малая освещенность ……………….. 83
7.1.1.2 Низкое качество воздуха рабочей зоны …………………………………… 87
7.1.1.3 Повышенный уровень шума …………………………………………………… 88
7.1.1.4 Высокое электромагнитное и ионизирующее излучение в
помещениях…………………………………………………………………………………………………. 91
7.1.2 Анализ выявленных опасных факторов при разработке и
эксплуатации проектируемого решения ……………………………………………………….. 92
7.1.2.1 Поражение электрическим током …………………………………………… 92
7.1.2.2. Пожарная безопасность …………………………………………………………. 94
7.1.2.3 Источник излучения ………………………………………………………………. 99
7.2 Экологическая безопасность ……………………………………………………… 100
7.3. Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………………….. 101
7.4 Перечень нормативно-технической документации……………………… 102
Заключение …………………………………………………………………………………….. 104
Список публикаций студента ………………………………………………………….. 105
Список использованных источников ……………………………………………….. 106
Приложение А ………………………………………………………………………………… 110
Abstract
In the course of research, a mathematical model of the tracking system of a
weld in electron beam welding was developed. The effectiveness of applying this
model to any electronic welding installation has been experimentally proven. For the
simplest radiation detector (detector plate) without the use of physical filters, electronic
images of welds, which are distinguished by high definition, were obtained.
Empirically proven independence of the scan from the mechanical characteristics of
the electronic welding installation. It is proved that the absence of electron sources with
the necessary beam power is not an obstacle to obtaining a sufficient measurement
quality.
Электронно-лучевая сварка является одним из наиболее точных способов
соединения фрагментов изделий из металлов и сплавов. Этот вид сварки
достаточно широко применяется со второй половины XX века в различных
отраслях промышленности, особенно в тех, в которых выдвигаются особые
требования к качеству и надёжности сварных соединений. Среди таких отраслей
можно выделить авиастроение, ракетостроение, атомная энергетика, точное
станкостроение, автомобилестроение.
Данный вид сварки имеет ряд преимуществ, такие как:
− Процесс электронно-лучевой сварки проходит в высоком вакууме, что
положительно влияет на чистоту сварного шва от примесей и загрязнений.
− Уровни плотности энергии электронного пучка имеют высокие
значения. Сфокусированный электронный пучок позволяет локально нагреть до
температуры плавления любой металл на маленькой площади (до 11 мм2). Это
даёт возможность сваривать тугоплавкие материалы, например, титан, вольфрам,
ниобий, тантал, цирконий, а также материалы с высокой теплопроводностью
(медь, алюминий).
Отмеченные выше преимущества приводят к возможности создания так
называемого «кинжального реза». Сфокусированный электронный пучок создает
канал, состоящий из паров и плазмы, позволяющий производить сварку деталей
глубиной от 5 см и более.
Однако из-за маленькой площади проплавления и формирования
объёмной зоны проплавления в виде конуса появляется необходимость точного
наведения электронного пучка на зону шва. Высококачественная сварка
электронным пучком возможна при повторении движущейся точкой, связанной с
осью пучка, осевой линии сварного шва (траектории сварки).
Для манипулирования пространственным положением оси пучка
электронов необходимо отслеживание траектории сварки с целью включения его
(отслеживания) в обратную связь управления положением пучка. Для наведения
электронного пучка на сварочный шов используются два основных метода
отслеживания траектории сварного шва: метод анализа оптических изображений;
способ отслеживания траектории шва по его изображению в поле вторичного
ионизирующего излучения. Поле вторичного ионизирующего излучения
формируется вторичными электронами и вторичными фотонами.
Оптический метод обладает рядом достоинств и недостатков. К
достоинствам этого метода относится наличие и доступность на рынке научного
оборудования соответствующих оптических регистраторов и
электромеханических (роботизированных) манипуляторов, лёгкость их
взаимного сопряжения и согласования с технологическим процессом, простота
наблюдения и управления траекторией перемещения электронного пучка по
траектории сварки.
Принято считать, что основной недостаток оптического метода связан с
различием изменений параметров компонентов систем оптического контроля,
что приводит к снижению точности оценки отслеживаемой траектории и ,
следовательно точности наведения электронного пучка на зону формируемого
сварного шва. Оптические системы контроля требуют периодической отстройки
на специальных эталонах, что затрудняет их использование в технологии
электронно-лучевой сварки.
Существует и второй способ управления перемещением электронного
пучка, свободный от указанного выше недостатка оптического метода.
Направление и интенсивность электронного пучка регулируется
электромагнитными полями, создаваемыми электромагнитными катушками. При
необходимости сканирования электронным пучком зоны, близкой к сварному
шву, к формированию процедуры сканирования подключаются те же катушки,
что обеспечивают наведение луча на точку. Такой подход исключает
значительные отклонения от траектории сварки.
Электроннолучевая сварка широко применяется в промышленности более
полувека. Но до сих пор основная масса производств не оборудовано системами
автоматического наведения на сварной шов. Причина не в отсутствии
необходимых технологий. Уже достаточно давно системы сканирования,
реализованные в различных видах микроскопов (оптический микроскоп или
растровый электронный микроскоп), адаптированы и установлены на новейших
установках электроннолучевой сварки.
Причина заключается в высокой стоимости данного дополнительного
сварочного оборудования. На данный момент времени никто не занимается
модернизацией имеющегося оборудования.
Нет возможности просто заменить систему наведения на шов. А заменить
уже имеющееся на более современное нерентабельно, так как новое
оборудование стоит десятки, а то и сотни миллионов рублей (в зависимости от
мощности).
Цель и задачи проекта
Объект исследования − экспериментальная установка для
электроннолучевой сварки.
Предметом исследования является математическое моделирование
системы отслеживания шва в сварке электронным пучком.
Практическая новизна заключается в возможности модернизации
оборудования исследуемого типа на основе предлагаемого способа
отслеживания траектории шва в процессе сварки.
Целью исследований является разработка математической модели
системы отслеживания шва в сварке электронным пучком, основанной на
формировании цифровых радиографических изображений в поле вторичных
электронов и фотонов.
Для реализации цели, отмеченной выше, предполагается решить ряд
задач:
− проанализировать существующие типы систем сканирования
поверхности электронным пучком;
− исследовать способы формирования радиографических изображений
сварных швов;
− разработать математическую модель системы отслеживания шва в
сварке электронным пучком;
− провести экспериментальную проверку сканирования траектории
сварного шва электронным пучком.
Методы исследования. При решении сформулированных выше задач
проводились экспериментальные исследования по отслеживанию шва на
установке электроннолучевой сварки. В процессе исследований использовались
методы обработки экспериментальных результатов, методы обработки
изображений, методы имитационного моделирования.
Апробация выпускной квалификационной работы. Актуальность
исследований, цель, основные задачи и их последовательное решение
докладывались на отчетах по научно-исследовательской работе магистрантов
отделения контроля и диагностики ИШ НКБ.
На защиту выносятся:
− результаты анализа существующих типов систем сканирования
поверхности электронным пучком;
− результаты сравнения способов формирования радиографических
изображений сварных швов;
− математическая модель системы отслеживания шва в сварке
электронным пучком;
− оценка эффективности применения функции сканирования к
стандартным установкам электроннолучевой сварки.
1 Физические основы сканирования поверхности электронным пучком
В ходе исследований, проведенных в рамках выпускной квалификационной
работы, была создана математическая модель системы отслеживания шва в сварке
электронным пучком. Экспериментально доказана эффективность применения
данной модели к любой электронно-сварочной установке. Для простейшего
детектора излучения (пластины-детектора) без использования физических
фильтров были получены электронные изображения сварных швов, отличающиеся
высокой четкостью. Эмпирически доказана независимость сканирования от
механических характеристик электронно-сварочной установки. Доказано, что
отсутствие источников электронов с необходимой мощностью пучка не является
препятствием для получения достаточного качества измерений.
Список публикаций студента
1. Roman Cherepanov, Maxim Krinitsyn, Vasiliy Fedorov, Maxim
Gustomyasov NUMERICAL MODEL FOR SELECTIVE LASER AND ELECTRON
BEAM MELTING OF TI POWDER 8th International Conference on Mechanics and
Materials in Design. Recent Topics on Mechanics and Materials in Design
2. Roman Cherepanov, Yuriy Dontsov, Maxim Krinitsyn, Vasiliy Fedorov,
Maxim Gustomyasov NUMERICAL MODELING AND EXPERIMENTAL
INVESTIGATION OF PROTECTIVE PROPERTIES OF 3D-PRINTED SHIELDS
REINFORCED WITH ARAMID FIBER AGAINST LOW VELOCITY IMPACTORS
8th International Conference on Mechanics and Materials in Design. Recent Topics on
Mechanics and Materials in Design
3. Pushilina N. S. et al. Microstructure and properties of Ti-6.5 Al-3.5 Mo-1.5
Zr-0.3 Si parts produced by electron beam melting //Journal of Physics: Conference
Series. – IOP Publishing, 2018. – Т. 1115. – №. 4. – С. 042057.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (21 отзыв)
5 (9 отзывов)
5 (1241 отзыв)
5 (18 отзывов)
5 (188 отзывов)
4.8 (40 отзывов)
4.6 (522 отзыва)
4.1 (20 отзывов)
4.2 (13 отзывов)
