一種確定電子束焊接最佳聚焦電流的方法
2023-06-07 00:11:16 2
專利名稱：一種確定電子束焊接最佳聚焦電流的方法
技術領域：
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本發明屬於焊接技術領域，涉及對電子束焊接方法的改進。
背景技術：
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在電子束焊接加工中，焊接不同的材質、不同厚度的工件時，確定電子束的最佳聚焦電流有重要的意義。電子束焊接的金屬熔化效果和焊縫質量等與電子束的焊接參數存在密切關係，焊接參數包括加速電壓、束流、焊接速度、電子束焦點位置和束斑品質以及材料性能等。其中焦點位置和束斑品質在所有參數中最難確定，一方面由於焦點參數的數據不直觀，另一方面焦點對焊接的影響是非線性關係，非常複雜，同時還可能存在焊接過程的金屬蒸氣影響焦點位置和束斑品質等。
過去在實際的焊接生產中採用了多種焦點測量方法，最簡單的是經驗測量法，這種方法是利用很小束流在某一高度試塊上調節聚焦電流，通過觀察束流斑點直徑(使用光學潛望鏡)或光線強弱和飛濺大小(肉眼觀測)等來大致判斷焦點的位置。傳統的焦點檢測方法是日本Arata教授發明的，後來稱為Arata-Beam Test Method(簡稱AB法)；它是將金屬片豎直放置在不同的高度，呈鋸齒斜坡狀，電子束沿斜坡掃過，通過測量電子束在金屬片上熔化寬度的痕跡，測定電子束在不同工作距離的焦點位置和束斑品質。AB法檢測結果誤差較大，金屬片不能重複使用，有明顯的局限性，並且不能準確反映電子束焊接的動態過程。對於中小功率的電子束，可以採用探針式傳感器高速掃描靜止的電子束進行檢測，但是探針檢測獲得的電流是工件傳導電流，不能反映電子束本身的電子密度分布。這些方法可檢測的束流功率都不可能太大，並且測量的結果在具體工件焊接時還需要進一步根據經驗調整。德國的電子束流能量密度DIABEAM測試系統是目前先進的電子束焦點和品質檢測方法之一，是一種電子束靜態焦點測量方法，可以測得電子束的束斑直徑和電子束能量密度分布，但是所測量的電子束是在真空中傳輸未受焊接過程影響的焦點。
發明內容
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本發明所解決的技術問題是提出一種能準確地確定電子束焊接動態過程聚焦電流的方法，準確地控制焊接中動態焦點的位置，提高電子束的束斑品質，從而提高焊接質量。
本發明的技術方案是一種確定電子束焊接動態過程最佳聚焦電流的方法，其特徵在於，(1)根據電子束焊機的特點與性能，選定加速電壓Ua；(2)根據被焊工件厚度和材質，依經驗選定焊接速度V；(3)通過試驗，畫出確定工件的臨界穿透束流Ic與聚焦電流之間的關係曲線，具體步驟是第一步，取與工件相同厚度和材質的試樣，放入電子束焊機真空室中，將試樣與焊機絕緣；第二步，將電流傳感器的初級串聯在試樣與焊機地線之間，電流傳感器的次級並聯採樣電阻R和濾波電容C，模數轉換器的輸入端與電阻R的兩端連接，模數轉換器的輸出端與數位訊號處理機連接；第三步，依經驗選擇一個聚焦電流的具體數值，焊接試樣，求出工件傳導電流的均值傳導比Ra隨輸入束流Ib變化的曲線，工件傳導電流的均值傳導比Ra＝Iwp/Ib，式中Iwp為工件傳導電流，在其它參數不變的焊接過程中，從小到大逐步增加輸入束流Ib，將電阻R兩端的代表工件傳導電流Iwp的電壓信號進行模數轉換，在計算機中通過數位訊號處理軟體進行處理，求出工件傳導電流的均值傳導比Ra，以輸入束流Ib為橫坐標，以工件傳導電流的均值傳導比Ra為縱坐標，給出工件傳導電流的均值傳導比Ra隨輸入束流Ib變化的曲線；第四步，找出曲線中的峰值點，該點所對應的橫坐標值即為工件的臨界穿透束流Ic，將該數值作為縱坐標，將與該數值對應的聚焦電流If數值作為橫坐標，在一個二維坐標系中標定出與上述坐標對應的點；第五步，重複上述第一步至第四步的過程，在第三步中選擇不同的聚焦電流的具體數值進行試樣焊接，將得到的數據一一標定在坐標系中，勾畫曲線一般需要七個試驗數據點以上才能較好的描繪曲線的趨勢，將離散的點進行光滑連接，得到工件的臨界穿透束流Ic與聚焦電流If之間的關係曲線；(4)確定焊接工件的最佳聚焦電流數值，通過觀測臨界穿透束流Ic和聚焦電流If的關係曲線中存在一定對稱性並且具有臨界穿透束流Ic極小值，可以獲得臨界穿透束流Ic極小值所對應的聚焦電流If就是焊接工件時的最佳聚焦電流數值If。
本發明的有益效果是本發明的重要思想是利用電子束焊接過程的臨界穿透狀態和臨界穿透束流等基本概念，獲得焊接過程和電子束傳輸狀態之間的關係。電子束焊接的金屬熔化效果和焊縫質量等與電子束的焊接參數存在密切關係，電子束焊接參數包括加速電壓、束流、焊接速度、電子束焦點位置和束斑品質以及材料性能等。一方面焦點位置和束斑品質在所有參數中最難確定，另一方面焊接過程的金屬蒸氣影響焦點位置和束斑品質，這種影響是非常複雜的非線性關係，同時其它焊接參數也對焦點產生較大的影響。過去的焦點測量方法基本沒有反映出電子束焦點位置和束斑品質在焊接動態過程的特徵。
採用本發明測量電子束焦點位置和束斑品質，具有下列優點第一，本發明測量過程是在電子束焊接動態條件下進行的，這種聚焦狀態受到焊接過程金屬蒸氣的直接影響，焦點位置和束斑品質的聚焦狀態完全反映了焊接狀態；過去的焦點測量方法一般都不能反映焊接的動態過程，其中AB方法測量的焦點雖然反映了金屬蒸氣的部分影響，但其金屬蒸氣的狀態不同於焊接過程的狀態，不能完全反映焊接動態過程。
第二，本發明可以發現電子束焊接的其它參數如加速電壓、束流、焊接速度等與動態聚焦狀態之間的關係；除DIABEAM測試系統可以反映靜態電子束流大小變化對焦點的影響外，其它方法都未能反映或未能完全反映焊接參數的影響。
第三，理論上，本發明可以獲得任何大小電子束流的聚焦狀態而不受檢測傳感器的限制；除DIABEAM測試系統外，其它焦點測量方法都受電子束流大小的限制。
第四，本發明測量焦點狀態與實際焊接的板厚有關，當被焊板的厚度減薄時，焊接動態過程和金屬蒸氣對焦點的影響逐漸減小，測量所獲得的焦點會逐漸接近電子束在漂移空間中傳輸的焦點狀態；DIABEAM測試系統所測量的電子束焦點和品質僅僅是本發明所測量的一種板厚為零的極限狀態。
第五，本發明方法測量獲得的聚焦狀態物理意義清晰，工程實際應用方便。在動態焦點狀態焊接可以用最小的輸入束流獲得最大的熔深；第六，本發明測得的聚焦狀態反映了電子束本身的對稱性、極值性和活性區大小等。
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圖1是本發明硬體配置示意圖。
圖2是本發明一個實施例的工件的臨界穿透束流Ic與聚焦電流If之間的關係曲線。
圖3是本發明一個實施例的工件的臨界穿透束流Ic與聚焦電流If之間的關係曲線。
圖4是本發明一個實施例的板厚對電子束動態聚焦狀態的影響。
圖5是本發明數位訊號處理程序流程圖。
具體實施例方式
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下面對本發明方法做進一步詳細說明，參見圖1。
1)採集工件傳導電流的前提是工件與焊機保持絕緣，而工件接收的電子都通過電流傳感器傳導到焊機的公用地線。
2)一般採用耐高溫的陶瓷材料作為絕緣材料，絕緣材料處於工件和工作檯之間，將被焊工件與焊機絕緣，僅僅通過導線與電流傳感器連接。
3)電流傳感器的選擇依據是電子束焊接輸入束流。試驗採用的焊機最大輸入束流是100mA，選取的電流傳感器額定電流最大值為100mA，精度1％；實際焊接束流並不是總達到最大值，電流傳感器額定電流最大值也可選取為30mA、50mA，以提高精度，例如選用科海KT0.03A/P、KT0.05A/P等。
4)選用高精度電阻R，其阻值為50歐姆，精度1％以上。
5)選用濾波電容C，其值為0.01～2μF。
6)模數轉換頻率最小為50KHz，採樣通道4路以上，以便多路採集。
7)數位訊號處理由自編軟體完成。
8)採用通用計算機。
本發明方法的步驟是(1)根據電子束焊機的特點與性能，選定加速電壓Ua；(2)根據被焊工件厚度和材質，依經驗選定焊接速度V；(3)通過試驗，畫出確定工件的臨界穿透束流Ic與聚焦電流之間的關係曲線，具體步驟是第一步，取與工件相同厚度和材質的試樣，放入電子束焊機真空室中，將試樣與焊機絕緣；
第二步，將電流傳感器的初級串聯在試樣與焊機地線之間，電流傳感器的次級並聯採樣電阻R和濾波電容C，模數轉換器的輸入端與電阻R的兩端連接，模數轉換器的輸出端與數位訊號處理機連接；第三步，依經驗選擇一個聚焦電流的具體數值，焊接試樣，求出工件傳導電流的均值傳導比Ra隨輸入束流Ib變化的曲線，工件傳導電流的均值傳導比Ra＝Iwp/Ib，式中Iwp為工件傳導電流，在其它參數不變的焊接過程中，從小到大逐步增加輸入束流Ib，將電阻R兩端的代表工件傳導電流Iwp的電壓信號進行模數轉換，在計算機中通過數位訊號處理軟體進行處理，求出工件傳導電流的均值傳導比Ra，以輸入束流Ib為橫坐標，以工件傳導電流的均值傳導比Ra為縱坐標，給出工件傳導電流的均值傳導比Ra隨輸入束流Ib變化的曲線；第四步，找出曲線中的峰值點，該點所對應的橫坐標值即為工件的臨界穿透束流Ic，將該數值作為縱坐標，將與該數值對應的聚焦電流If數值作為橫坐標，在一個二維坐標系中標定出與上述坐標對應的點；第五步，重複上述第一步至第四步的過程，在第三步中選擇不同的聚焦電流的具體數值進行試樣焊接，將得到的數據一一標定在坐標系中，勾畫曲線一般需要七個試驗數據點以上才能較好的描繪曲線的趨勢，將離散的點進行光滑連接，得到工件的臨界穿透束流Ic與聚焦電流If之間的關係曲線；(3)確定焊接工件的最佳聚焦電流數值，通過觀測臨界穿透束流Ic和聚焦電流If的關係曲線中存在一定對稱性並且具有臨界穿透束流Ic極小值，可以獲得臨界穿透束流Ic極小值所對應的聚焦電流If就是焊接工件時的最佳聚焦電流數值If。
實施例。
實施例1——對圖2曲線的說明(1)實驗條件3.0mm厚的低碳鋼板，電子束焊接加速電壓是142kV，焊接速度2.5mm/s，工件表面距離真空室頂197mm。
(2)函數曲線的獲得 設定焊機聚焦系統的聚焦電流If1，從大到小增大焊接輸入束流Ib，利用工件傳導電流採集系統獲得此聚焦狀態下的臨界穿透束流Ic1，可以獲得曲線上的一個數據點(If1，Ic1)，臨界穿透束流Ic1的獲得過程如下■首先選取不能焊透工件的適當小的輸入束流Ib1焊接工件，從數據採集系統可以獲得工件傳導電流Iwp1，求得工件傳導電流均值傳導比Ra1＝Iwp1/Ib1，將(Ra1，Ib1)畫在圖中。
■接著，適當增加輸入束流到Ib2焊接工件，再從數據採集系統獲得工件傳導電流Iwp2，求得工件傳導電流均值傳導比Ra2＝Iwp2/Ib2，將(Ra2，Ib2)畫在圖中。
■依照同樣道理，不斷增加輸入束流焊接工件，可以獲得工件在未焊透、近焊透、焊透和切割狀態等的(Rai，Ibi)。
■將(Rai，Ibi)依次全部畫在圖中並光滑連接得到函數曲線，從曲線中找到工件傳導束流均值傳導比極值點Ra所對應的輸入束流值Ib，這個值是工件的臨界穿透束流Ic1。
適當增大聚焦電流到If2，從大到小增大焊接輸入束流Ib，利用工件傳導電流採集系統獲得此聚焦狀態下的臨界穿透束流Ic2，可以獲得曲線上的又一個數據點(If2，Ic2)，臨界穿透束流Ic2的獲得方法同上。
依照同樣道理，不斷增大聚焦電流Ifi，可以獲得曲線上的多個數據點(Ifi，Ici)，i＝1，2，3…。
將(Ifi，Ici)依次全部畫在圖中並光滑連接得到函數曲線，從曲線中找到工件臨界穿透束流Ic極小值點Ic(min)，Ic(min)所對應的聚焦電流值If是此條件下工件動態聚焦電流。
實施例2——對圖3曲線的說明(1)實驗條件11mm厚的低碳鋼板，電子束焊接加速電壓是142kV，焊接速度2.5mm/s，工件表面距離真空室頂345mm。
(2)函數曲線的獲得 設定焊機聚焦系統的聚焦電流If1，從大到小增大焊接輸入束流Ib，利用工件傳導電流採集系統獲得此聚焦狀態下的臨界穿透束流Ic1，可以獲得曲線上的一個數據點(If1，Ic1)，臨界穿透束流Ic1的獲得過程如下■首先選取不能焊透工件的適當小的輸入束流Ib1焊接工件，從數據採集系統可以獲得工件傳導電流Iwp1，求得工件傳導電流均值傳導比Ra1＝Iwp1/Ib1，將(Ra1，Ib1)畫在圖中。
■接著，適當增加輸入束流到Ib2焊接工件，再從數據採集系統獲得工件傳導電流Iwp2，求得工件傳導電流均值傳導比Ra2＝Iwp2/Ib2，將(Ra2，Ib2)畫在圖中。
■依照同樣道理，不斷增加輸入束流焊接工件，可以獲得工件在未焊透、近焊透、焊透和切割狀態等的(Rai，Ibi)。
■將(Rai，Ibi)依次全部畫在圖中並光滑連接得到函數曲線，從曲線中找到工件傳導束流均值傳導比極值點Ra所對應的輸入束流值Ib，這個值是工件的臨界穿透束流Ic1。
適當增大聚焦電流到If2，從大到小增大焊接輸入束流Ib，利用工件傳導電流採集系統獲得此聚焦狀態下的臨界穿透束流Ic2，可以獲得曲線上的又一個數據點(If2，Ic2)，臨界穿透束流Ic2的獲得方法同上。
依照同樣道理，不斷增大聚焦電流Ifi，可以獲得曲線上的多個數據點(Ifi，Ici)，i＝1，2，3…。
將(Ifi，Ici)依次全部畫在圖中並光滑連接得到函數曲線，從曲線中找到工件臨界穿透束流Ic極小值點Ic(min)，Ic(min)所對應的聚焦電流值If是此條件下工件動態聚焦電流。
實施例3——對圖4曲線的說明(1)實驗條件電子束焊接加速電壓是142kV，焊接速度2.5mm/s，工件表面距離真空室頂345mm。
(2)圖中有6條函數曲線，從下往上獲得的曲線板厚分別為1.8，3.0，5.6，9.3，11，15mm，每種厚度板都有一條臨界穿透束流與聚焦電流關係曲線。
(3)將每一板厚的最小臨界穿透束流連接起來，獲得一條聚焦電流隨板厚變化的曲線。
(4)圖中可見當板厚大於9mm以上時，動態聚焦電流幾乎不變化。
軟體流程圖工作過程說明——對圖5的說明根據被焊工件的條件需要設定焊接參數中的加速電壓、焊接速度等，利用本發明確定束流的動態焦點。
第一步設定聚焦電流初值If0，聚焦電流步長ΔIf，時間步長Δt；第二步設定束流初值Ib0，控制輸入束流Ibi與時間步長Δt的關係，其中i＝1，2，3…；第三步採集每個時刻ti＝i*Δt的工件傳導電流Iwpi，計算工件傳導電流Iwpi的平均值Iwpi；第四步計算均值傳導比Rai＝Iwpi/Ibi第五步建立均值傳導比Rai與輸入束流Ibi的函數關係，即Rai＝f(Ibi)；第六步求得均值傳導比Rai的最大值，即Rai(max)；
第七步確定均值傳導比最大值Rai(max)所對應的輸入束流Ibi，即為此條件下的臨界穿透束流Ick，其中k＝1，2，3…；第八步增加聚焦電流Ifk＝If0+ΔIf，重複第二步到第七步，確定每一步的臨界穿透束流Ick；第九步建立聚焦電流Ifk和臨界穿透束流Ick，之間的函數關係，即Ick＝f(Ifk)；第十步求得臨界穿透束流Ic的最小值Ic(min)；第十一步確定臨界穿透束流最小值Ic(min)所對應的聚焦電流If，即為此條件下的最佳穿透聚焦電流——動態焦點狀態。
權利要求
1.一種確定電子束焊接動態過程最佳聚焦電流的方法，其特徵在於，(1)根據電子束焊機的特點與性能，選定加速電壓Ua；(2)根據被焊工件厚度和材質，依經驗選定焊接速度V；(3)通過試驗，畫出確定工件的臨界穿透束流Ic與聚焦電流之間的關係曲線，具體步驟是第一步，取與工件相同厚度和材質的試樣，放入電子束焊機真空室中，將試樣與焊機絕緣；第二步，將電流傳感器的初級串聯在試樣與焊機地線之間，電流傳感器的次級並聯採樣電阻R和濾波電容C，模數轉換器的輸入端與電阻R的兩端連接，模數轉換器的輸出端與數位訊號處理機連接；第三步，依經驗選擇一個聚焦電流的具體數值，焊接試樣，求出工件傳導電流的均值傳導比Ra隨輸入束流Ib變化的曲線，工件傳導電流的均值傳導比Ra＝Iwp/Ib，式中Iwp為工件傳導電流，在其它參數不變的焊接過程中，從小到大逐步增加輸入束流Ib，將電阻R兩端的代表工件傳導電流Iwp的電壓信號進行模數轉換，在計算機中通過數位訊號處理軟體進行處理，求出工件傳導電流的均值傳導比Ra，以輸入束流Ib為橫坐標，以工件傳導電流的均值傳導比Ra為縱坐標，給出工件傳導電流的均值傳導比Ra隨輸入束流Ib變化的曲線；第四步，找出曲線中的峰值點，該點所對應的橫坐標值即為工件的臨界穿透束流Ic，將該數值作為縱坐標，將與該數值對應的聚焦電流If數值作為橫坐標，在一個二維坐標系中標定出與上述坐標對應的點；第五步，重複上述第一步至第四步的過程，在第三步中選擇不同的聚焦電流的具體數值進行試樣焊接，將得到的數據一一標定在坐標系中，勾畫曲線一般需要七個試驗數據點以上才能較好的描繪曲線的趨勢，將離散的點進行光滑連接，得到工件的臨界穿透束流Ic與聚焦電流If之間的關係曲線；(4)確定焊接工件的最佳聚焦電流數值，通過觀測臨界穿透束流Ic和聚焦電流If的關係曲線中存在一定對稱性並且具有臨界穿透束流Ic極小值，可以獲得臨界穿透束流Ic極小值所對應的聚焦電流If，也就是焊接工件時的最佳聚焦電流數值If。
全文摘要
本發明屬於焊接技術領域，涉及對電子束焊接方法的改進。本發明方法的步驟是(1)選定加速電壓U
文檔編號B23K15/02GK1502442SQ02153279
公開日2004年6月9日 申請日期2002年11月26日 優先權日2002年11月26日
發明者周琦, 劉方軍, 關橋, 郭光耀, 毛智勇, 左從進, 周 琦 申請人:中國航空工業第一集團公司北京航空製造工程研究所, 中國航空工業第一集團公司北京航空制