基於逐點掃描的電子束表面硬化方法
2023-10-04 17:33:44 2
專利名稱：基於逐點掃描的電子束表面硬化方法
技術領域：
本發明涉及一種在金屬表面熱處理中基於逐點掃描的電子束表面局部硬化方法。
背景技術：
由於電子束的能量密度非常高，它所覆蓋的區域被迅速加熱，超過相轉變溫度，而周圍區域仍維持較低溫度。因此當電子束停止作用時，它所產生的熱量能夠迅速向周圍低溫區域擴散，這種由工件自身造成的冷卻也叫做「自淬火」。該淬火速度大大快於鋼的馬氏體轉變臨界淬火速度，因而能夠僅對電子束作用的有限區域進行硬化。
目前有幾種方法可以將電子束用於表面硬化。第一種方法是散焦法，通過調整聚焦電流擴大電子束在工件表面的斑點直徑，以此增大電子束加熱面積。這種方法中，電子束的能量密度呈高斯分布，作用於中央區域和周邊區域的束能量有所差別，會造成硬化層厚度和硬度的不均勻。第二種方法是電子束線掃描法，採用電子束設備自身具有的掃描功能，掃描出幾種固定圖形，如圓、橢圓、直線等，這種方法可以增大電子束加熱的範圍，但無法調節加熱範圍內的能量密度。第三種方法，即採用李薩如圖案的連續掃描法，這種方法提高了掃描範圍內的能量密度的均勻性，還可以增加掃描寬度邊緣的能量密度，使硬化層厚度的均勻性提高，但是它的調節掃描範圍內能量密度的能力仍十分有限。
發明內容
本發明的目的是提供一種表面硬化厚度和硬度均勻、加熱範圍內能量密度可調的基於逐點掃描的電子束表面硬化方法。
本發明是通過以下技術方案實現的，在待硬化工件表面設計與之幾何相近的點陣，電子束對點陣進行逐點掃描，點陣間各點的距離依工件表面的形狀設定；以0.5～10毫秒的時間完成一個輪次的掃描，直至工件表面均勻加熱。
其具體步驟是，1根據工件需要硬化的表面形狀和特點，設計電子束逐點掃描的次序及電子束在各點駐留的時間；2根據點陣中各點的X、Y坐標、掃描次序和駐留時間，編制X向和Y向偏轉控制波形；3調整電子束使其在無偏轉時對準工件上與點陣原點相對應的參考點；4將編制的X向和Y向偏轉控制波形輸入掃描控制器的雙路信號發生器，並通過雙路功率放大器為偏轉線圈提供偏轉電流；5在信號發生器上設定偏轉控制波形頻率；6根據工件上的X向和Y向偏轉距離，選擇X、Y向偏轉範圍所需的偏轉電流；7啟動電子束設備，使電子束以預定電流在工件上持續作用預定時間，即可完成工件的局部表面硬化熱處理。
基於方法的裝置由雙路可編程信號發生器、雙通道功率放大器、偏轉線圈、匹配電阻和電子束設備組成，偏轉線圈安裝於電子束槍下端，偏轉控制系統獨立於電子束設備電氣系統。通過可編程信號發生器產生偏轉波形信號，該波形信號經過放大為偏轉線圈提供偏轉電流，從而使電子束按所需掃描方式進行高速逐點掃描。
本發明可以將逐點掃描點陣作為一能量密度分布可設計的移動面熱源，隨電子束槍相對於工件作機械運動，對工件進行更大面積的表面局部硬化本發明採用在工件表面布置與待加工零件幾何形狀相近似的點陣，並根據待加工零件表面局部的熱容量及傳熱特點設定電子束的駐留時間，對工件進行逐點掃描，使加熱範圍內能量密度可調，工件表面硬化厚度和硬度均勻。本發明具有實質性的特點和顯著進步，與散焦法、線掃描法和李薩如圖案連續掃描法相比，它可以適應複雜表面形狀工件的表面局部硬化要求，具備更強的調整待硬化表面能量輸入分布的能力。它可以採用電子束槍固定的方式，對工件進行局部表面硬化，也可以將逐點掃描點陣作為一能量密度分布可設計的移動面熱源，配合電子束槍相對於工件作機械運動，對工件進行更大面積的表面局部硬化。
圖1是表示本發明的實施例一電子束在工件上的掃描點陣及逐點掃描次序的說明圖；圖2是表示本發明的實施例一電子束X向偏轉波形的說明圖；圖3是表示本發明的實施例一電子束Y向偏轉波形的說明圖；圖4是表示本發明的實施例二電子束在工件上的掃描點陣及逐點掃描次序的說明圖；圖5是表示本發明的實施例二電子束X向偏轉波形的說明圖；圖6是表示本發明的實施例二電子束Y向偏轉波形的說明圖。
具體實施例方式
根據工件形狀設計一點陣，該點陣與工件待硬化表面幾何相似，點與點之間的疏密可以根據不同部位的傳熱和熱容量特點作調整，通過X、Y向偏轉控制使電子束依次作用於點陣中的每一個點，在各點處駐留預定的時間3微秒至250微秒可調，然後在極短的時間內1微秒至5微秒轉移至另一個預先規定點，重複這種循環用一簇點填充規定的面積。完成一個輪次的加熱需要幾毫秒，重複這種加熱模式可在0.5秒～10秒內完成對工件表面的均勻加熱。通過設計點陣形狀、調整點間距和電子束在各點的駐留時間，可以對工件待硬化表面的能量輸入分布進行控制，獲得所需的硬化層厚度分布，從而實現對複雜形狀零件的表面局部精密熱處理。
基於方法的裝置由由雙路可編程信號發生器、雙通道功率放大器、偏轉線圈、匹配電阻和電子束設備組成。偏轉線圈安裝於電子束槍下端，偏轉控制系統獨立於電子束設備電氣系統。通過可編程信號發生器產生偏轉波形信號，該波形信號經過放大為偏轉線圈提供偏轉電流，從而使電子束按所需掃描方式進行高速逐點掃描。
具體步驟如下(1)根據工件需要硬化的表面形狀和特點，設計與工件待硬化的表面幾何相似的電子束逐點掃描的點陣圖形，點陣中布點的疏密應與不同部位的傳熱和熱容量特點相適應，內凹處散熱快、熱容量小，布點密一些，中心部位、外凸處散熱慢、熱容量小，布點疏一些。
(2)設計點陣逐點掃描的次序，規定電子束在各點駐留的時間。駐留時間應與不同部位的傳熱和熱容量特點相適應，需要能量多的部位，各點駐留時間加長。
(3)根據點陣中各點的X、Y坐標、掃描次序和駐留時間，編制X向和Y向偏轉控制波形。X、Y的取值範圍均為0～255，其原點為(128，128)。周期波形長度可根據點陣所需點數選取255、511、1024、2047，點陣所需點數多，應選取大的周期波形長度，如2047，可供選用的周期波形長度取決於信號發生器。
(4)調整電子束使其在無偏轉時對準工件上與點陣原點相對應的參考點。
(5)將設計的偏轉控制波形輸入掃描控制器的雙路信號發生器，使信號發生器的左側通道產生X向波形，右側通道產生Y向波形。
(6)在信號發生器上選擇所需的輸出波形頻率。
(7)將信號發生器左、右兩側輸出分別與掃描控制器的雙路功率放大器左右兩側輸入連接。
(8)根據事先測得的偏轉距離標定結果，計算X、Y向偏轉範圍所需的偏轉電流，旋轉功率放大器增益調節電位器，獲得所需的X向和Y向偏轉電流。
(9)啟動電子束設備，使電子束以預定電流在工件上持續作用預定時間，即可完成工件的局部表面硬化熱處理。
實施例一對一方形17mm×17mm×10mm的4Cr13鋼上表面進行電子束表面硬化。設計如圖1所示的點陣，點間距均勻，中心點駐留9.8微秒，內圈各點駐留13.7微秒，次外圈各點駐留17.6微秒，外圈各點駐留21.5微秒。編制如圖2所示的電子束X向偏轉波形和如圖3所示的電子束Y向偏轉波形。設置掃描頻率為1kHz，工作距離180mm，偏轉線圈中的電流1.38A，聚焦電流820mA，電子束加速電壓60kV，電子束工作電流17～20mA，熱處理時間0.5～1秒。在試件表面獲得了方形的硬化區，硬化層硬度由基體硬度HV0.2(320～340)提高至HV0.2(450～550)，硬化層深寬比由採用散焦法時的0.30減小至0.10，說明硬化層厚度均勻性顯著提高。
實施例二對一35Ni4Cr2MoA鋼齒輪的齒面進行表面硬化。齒輪齒數37，模數2.5，壓力角25°，分度圓直徑92.5mm，分度圓齒距7.854mm，全齒高5.625mm，齒寬12mm。由齒頂到齒根，厚度加大，齒面傾斜度也有變化，因此硬化所需能量輸入需要作相應調整。為此設計了如圖4所示的點陣，X向為齒厚方向，Y向為齒寬方向(齒輪軸向)，點陣沿X向間距變化(從中心向兩側各列間距依次為55、43和30，沿Y向間距均勻。從中心向兩側Y向各列點的駐留時間依次增加，分別為9.8微秒、13.7微秒、19.6微秒、25.4微秒。編制如圖5所示的電子束X向偏轉波形和如圖6所示的電子束Y向偏轉波形。設置掃描頻率為1kHz，工作距離(至半齒高處)180mm，偏轉線圈中的電流1.75A，聚焦電流820mA，電子束加速電壓60kV，電子束工作電流24～22mA。點陣中心位於齒頂中心，電子束槍沿Y向移動，移動速度8mm/s。齒輪各個齒經上述電子束表面硬化，在齒頂和齒面上形成了0.3mm厚的硬化層，硬度HV0.2(550～600)，比基體硬度HV0.2(370～400)顯著提高，滿足設計要求。
權利要求
1.一種基於逐點掃描的電子束表面硬化方法，其特徵在於，在待硬化工件表面設計與之幾何相近的點陣，電子束對點陣進行逐點掃描，點陣間各點的距離依工件表面的形狀設定；以0.5～10毫秒的時間完成一個輪次的掃描，直至工件表面均勻加熱。
2.根據權利要求1所述的基於逐點掃描的電子束表面硬化方法，其具體步驟是，(1)根據工件需要硬化的表面形狀和特點，設計電子束逐點掃描的次序及電子束在各點駐留的時間；(2)根據點陣中各點的X、Y坐標、掃描次序和駐留時間，編制X向和Y向偏轉控制波形；(3)調整電子束使其在無偏轉時對準工件上與點陣原點相對應的參考點；(4)將編制的X向和Y向偏轉控制波形輸入掃描控制器的雙路信號發生器，並通過雙路功率放大器為偏轉線圈提供偏轉電流；(5)在信號發生器上設定偏轉控制波形頻率；(6)根據工件上的X向和Y向偏轉距離，選擇X、Y向偏轉範圍所需的偏轉電流；(7)啟動電子束設備，使電子束以預定電流在工件上持續作用預定時間，即可完成工件的局部表面硬化熱處理。
3.根據權利要求2所述的基於逐點掃描的電子束表面硬化方法，其特徵是，基於方法的裝置由雙路可編程信號發生器、雙通道功率放大器、偏轉線圈、匹配電阻和電子束設備組成，偏轉線圈安裝於電子束槍下端，偏轉控制系統獨立於電子束設備電氣系統。通過可編程信號發生器產生偏轉波形信號，該波形信號經過放大為偏轉線圈提供偏轉電流，從而使電子束按所需掃描方式進行高速逐點掃描。
4.根據權利要求1所述的電子束表面局部硬化方法，其特徵是，將逐點掃描點陣作為一能量密度分布可設計的移動面熱源，隨電子束槍相對於工件作機械運動，對工件進行更大面積的表面局部硬化。
全文摘要
本發明涉及一種在金屬表面熱處理中基於逐點掃描的電子束表面局部硬化方法。方法為根據工件形狀設計一點陣，該點陣與工件待硬化表面幾何相似，點與點之間的疏密可以根據不同部位的傳熱和熱容量特點作調整，通過X、Y向偏轉控制使電子束依次作用於點陣中的每一個點，在各點處駐留預定的時間，然後在極短的時間內轉移至另一個預先規定點，重複這種循環用一簇點填充規定的面積。完成一個輪次的加熱需要幾毫秒，重複這種加熱模式可在幾秒內完成對工件表面的均勻加熱。本發明通過設計點陣形狀、調整點間距和電子束在各點的駐留時間，可以對工件待硬化表面的能量輸入分布進行控制，獲得所需的硬化層厚度分布，從而實現對複雜形狀零件的表面局部精密熱處理。
文檔編號C21D1/06GK1814819SQ20061005757
公開日2006年8月9日 申請日期2006年3月16日 優先權日2006年3月16日
發明者郭紹慶, 袁鴻, 谷衛華, 餘槐, 張學軍 申請人:中國航空工業第一集團公司北京航空材料研究院