CN101924005B - 一种用于电子束表面处理的均匀束斑方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子束表面处理方法，具体涉及一种电子束表面处理技术中的均匀束斑技术，属于表面处理技术领域。一种用于电子束表面处理的均匀束斑技术，该方法主要包括束斑波形设计、编程和工艺试验及优化等步骤；根据电子束扫描原理和运动过程中能量分布规律设计出符合表面处理要求的均匀束斑波形，在笛卡尔坐标系对束斑波形采用最小二乘法进行曲线拟合，将拟合结果编程并存贮在计算机控制系统中，通过控制电子束表面处理的各个工艺参数进行试验及优化，最终获得大面积的均匀束斑技术。本发明更易实现，具有更好的经济性；克服了其他电子束束斑能量分布不均匀的缺陷；不需要额外控制设备，可以直接在通用电子束设备上实现。

Description

一种用于电子束表面处理的均匀束斑方法

技术领域

本发明涉及一种电子束表面处理方法，具体涉及一种电子束表面处理技术中的均匀束斑方法，属于表面处理技术领域。

背景技术

近年来，利用高能束(电子束、离子束、激光束)进行金属材料表面改性的方法得到了迅速发展。由于电子束能量的利用率(高达90％)不依赖于材料表面的特性，不受过程气氛干扰，以及功率大等优点，利用电子束进行表明处理技术正成为当前引人注目的技术之一。

为了适合不同工件和不同熔覆要求的需要，电子束熔覆设备必须具有多样化的束斑扫描功能，以实现熔覆过程中束斑密度控制、道间搭接、分层熔敷等应用的目的。一般的电子束束斑直接由电子束聚焦而得到，束斑为圆形焦斑，圆形焦斑内的能量分布为典型的高斯分布。该热源作用于材料表面后得到的是半月形剖面热作用区，材料表面受热不均，热作用区较小。

专利公开号CN101582367A中公开了一种脉冲型大束斑电子束发生装置。该装置由高压脉冲功率电源、时序控制电路、电子枪及真空室组成，可以产生加速电压20～30KV，脉冲持续时间2～4μs，束斑面积Φ60mm，重复频率0.1Hz的电子束，束斑平均能量密度为1～6J/cm2。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有电子束进行表面处理时因为采用圆形束斑造成的材料表面受热不均，热作用区较小等缺陷的问题，提出一种用于电子束表面处理的均匀束斑方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种用于电子束表面处理的均匀束斑方法，该方法主要包括束斑波形设计、编程和工艺试验及优化等步骤；根据电子束扫描原理和运动过程中能量分布规律设计出符合表面处理要求的均匀束斑波形，在笛卡尔坐标系对束斑波形采用最小二乘法进行曲线拟合，将拟合结果编程并存贮在计算机控制系统中，通过控制电子束表面处理的各个工艺参数进行试验及优化，最终获得大面积的均匀束斑方法；其具体步骤为：

1)设计适合于电子束表面处理用的大面积均匀束斑波形；

2)在笛卡尔坐标系对束斑波形进行数学拟合；

3)对拟合曲线进行编程和存贮；

4)对上述波形进行表面处理工艺试验；

5)根据试验结果进行参数优化；

所述步骤1)中波形设计依据电子束扫描原理；即电子枪产生的电子束在通过互相垂直的两个电磁线圈时，受到二维磁场的洛沦兹力的作用发生偏转，从而产生二维平面图形；波形设计承认电子以极高的速度运动，在一定时间内，电子束扫描产生的二维平面图形在加热过程中造成的加热先后可以忽略；波形设计满足运动过程中能量分布规律；即随着被处理工件的移动，电子束能量在垂直于运动方向的分量应该是相等的，从而保证被处理区域的受热均匀性和一致性；

所述步骤2)中在笛卡儿坐标系下对束斑波形进行数学拟合是指利用笛卡尔坐标系下的X、Y位移分量来描述步骤1)生成的波形，根据X、Y坐标值对曲线进行拟合；数学拟合是指采用最小二乘法进行拟合；

所述步骤3)中对拟合曲线进行编程和存贮是指利用电子束焊接的数控系统进行编程，并存贮在计算机控制系统中；编程环境为LARA52型电子束焊机的EXA S数控系统；

所述步骤4)中表面处理工艺试验是指在钛板或其他涂层表面进行试验；工艺试验参数包括电子束加速电压、工作高度、电子束电流、电子束扫描频率、扫描速度等；工艺试验采用正交实验法；

所述步骤5)中参数优化是指根据正交试验结果分析各个参数对扫描处理结果的影响程度，并参数的取值范围进行优化处理；参数优化还包括束斑截面大小的设计；即根据被处理工件的尺寸，该束斑的截面大小可以通过电子束聚焦线圈和x，y扫描线圈的电流进行调节，从而按照最经济合理的方式进行表面处理，提高工作效率。

有益效果

(1)本发明利用电子束经过扫描线圈后在洛伦兹力作用下形成，束斑截面大小可以通过线圈电流进行调节，更易实现，具有更好的经济性；

(2)本发明克服了其他电子束束斑能量分布不均匀的缺陷。

(3)该束斑经过数学拟合处理以后容易在数控系统中实现，不需要额外控制设备，可以直接在通用电子束设备上实现。

附图说明

图1是扫描束斑表面处理示意图；

图2是垂直于运动方向能量分布相同的波形示意图；

图3是采用该束斑进行TC4钛板表面处理后试验照片；

图4是采用该束斑进行表面熔覆处理前和处理后表面对比图；

图5是采用该束斑进行表面熔覆处理前和处理后截面对比图。

具体实施方式

下面通过实例对本发明作进一步的说明，但本发明不仅限于这些实施例。

实例1TC4钛板试验

第一步：大面积均匀束斑波形设计

电子束的扫描系统是由电子枪底部的两个相互垂直的电磁线圈组成，电子束在二维磁场的作用下，可以实现非接触的偏转，产生任何二维平面图形；在X、Y方向同时加上不同的磁场信号，电子束在不同的磁场作用下就能产生各种图形的电子束轨迹，如图1所示；

电子以极高的速度运动，在一定时间内，电子束扫描产生的二维平面图形在加热过程中造成的加热先后可以忽略；随着工件的移动，保证电子束能量在垂直于运动方向的分量相等，从而使处理区域的受热均匀；

具体方法为：对x轴30等分，同时，以坐标原点为中心，对整个圆周进行360等分；依次连接X轴的垂直等分线与圆周角等分线的交点，形成一个封闭的扫描图形，如图2所示；

第二步：束斑波形数学拟合

在电子束矢量扫描中，扫描场上的矢量g旋转γ角以后，其端点由A(X₀，Y)到达B(X，Y)点，其关系为：

$\left\{\begin{array}{c}X=X_0\cos \mathrm{\γ}-Y_0\sin \mathrm{\γ}\\ Y=Y_0\cos \mathrm{\γ}+X_0\sin \mathrm{\γ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

当角度γ足够小时，可近似为cosγ＝1，sinγ＝γ，则上式变为：

$\left\{\begin{array}{c}X=X_0-\mathrm{\γ}{Y}_0\\ Y=Y_0+\mathrm{\γ}{X}_0\end{array}\right.---\left(2\right)$

选取具有代表性的端点获得其坐标值，然后利用最小二乘法进行拟合，拟合以后的图形有4段弧组成；

第三步：波形进行编程和存贮

在LARA52型电子束焊机的EXA S数控系统下进行对步骤二的拟合曲线进行编程，并存贮在其控制系统中；

第四步：表面处理工艺试验

在LARA52型电子束焊机真空室中放置一块100×50×8mm的TC4钛板，根据工艺参数数量，设计4因素3水平的正交表并进行试验；电子束功率为1.5KW，扫描频率为400Hz，扫描速度为8mm/s，束斑直径为Φ34mm，设计的大面积均匀束斑处理后的照片如图3所示，图3a)为大面积均匀束斑的表面状况图，图3b)为大面积均匀束斑的界面状况图；

第五步：进行参数优化

对上述的各个工艺参数处理后的表面效果和截面效果进行比较，确定各个因素的重要性，并根据所需处理工件的尺寸确定束斑截面大小；对各个参数进行优化处理后，重新进行试验，直至获得理想效果。

实例2硅化物涂层熔覆处理试验

第一步：大面积均匀束斑波形设计

电子束的扫描系统是由电子枪底部的两个相互垂直的电磁线圈组成，电子束在二维磁场的作用下，可以实现非接触的偏转，产生任何二维平面图形；在X、Y方向同时加上不同的磁场信号，电子束在不同的磁场作用下就能产生各种图形的电子束轨迹，如图1所示；

电子以极高的速度运动，在一定时间内，电子束扫描产生的二维平面图形在加热过程中造成的加热先后可以忽略；随着被处理工件的移动，电子束能量在垂直于运动方向的分量是相等的，从而保证被处理区域的受热均匀性和一致性；

具体方法为：对x轴进行60等分，同时，以坐标原点为中心，对整个圆周进行720等分；依次连接X轴的垂直等分线与圆周角等分线的交点，形成一个封闭的扫描图形；

第二步：束斑波形数学拟合

在电子束矢量扫描中，扫描场上的矢量g旋转γ角以后，其端点由A(X₀，Y)到达B(X，Y)点，其关系为：

$\left\{\begin{array}{c}X=X_0\cos \mathrm{\γ}-Y_0\sin \mathrm{\γ}\\ Y=Y_0\cos \mathrm{\γ}+X_0\sin \mathrm{\γ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

当角度γ足够小时，可近似为cosγ＝1，sinγ＝γ，则上式变为：

$\left\{\begin{array}{c}X=X_0-\mathrm{\γ}{Y}_0\\ Y=Y_0+\mathrm{\γ}{X}_0\end{array}\right.---\left(2\right)$

选取具有代表性的端点获得其坐标值，然后利用最小二乘法进行拟合，拟合以后的图形有4段弧组成；

第三步：波形进行编程和存贮

在LARA52型电子束焊机的EXA S数控系统下进行对步骤二的拟合曲线进行编程，并存贮在其控制系统中；

第四步：表面处理工艺试验

在LARA52型电子束焊机真空室中放置一块80×20×2mm的已经烧结硅化物涂层的铌钨合金，根据工艺参数数量，设计4因素3水平的正交表并进行试验；图4a)为束斑进行表面熔覆处理前的表面照片；图4b)为给出了电子束功率为1.0KW，扫描频率为200Hz，扫描速度为10mm/s，束斑直径为Φ15mm设计的大面积均匀束斑处理后的表面照片；图5a)为束斑进行表面熔覆处理前的截面照片；图5b)为给出了电子束功率为1.0KW，扫描频率为200Hz，扫描速度为10mm/s，束斑直径为Φ15mm设计的大面积均匀束斑进行表面熔覆处理后的截面照片；

第五步：进行参数优化

对上述的各个工艺参数处理后的表面效果和截面效果进行比较，确定各个因素的重要性，并根据所需处理工件的尺寸确定束斑截面大小；对各个参数进行优化处理后，重新进行试验，直至获得理想效果。

Claims (4)

1.一种用于电子束表面处理的均匀束斑方法，其特征在于：该方法主要包括束斑波形设计、编程和工艺试验及优化步骤；根据电子束扫描原理和运动过程中能量分布规律设计出符合表面处理要求的均匀束斑波形，在笛卡尔坐标系对束斑波形采用最小二乘法进行曲线拟合，将拟合结果编程并存贮在计算机控制系统中，通过控制电子束表面处理的各个工艺参数进行试验及优化，最终获得大面积的均匀束斑方法；其具体步骤为：

1)设计适合于电子束表面处理用的直径34毫米的均匀束斑波形；

2)在笛卡尔坐标系对束斑波形进行数学拟合；

3)对拟合曲线进行编程和存贮；

4)对上述波形进行表面处理工艺试验；

5)根据试验结果进行参数优化；

所述步骤1）中波形设计依据电子束扫描原理；即电子枪产生的电子束在通过互相垂直的两个电磁线圈时，受到二维磁场的洛沦兹力的作用发生偏转，从而产生二维平面图形；波形设计承认电子以极高的速度运动，在一定时间内，电子束扫描产生的二维平面图形在加热过程中造成的加热先后可以忽略；波形设计满足运动过程中能量分布规律；即随着被处理工件的移动，电子束能量在垂直于运动方向的分量应该是相等的，从而保证被处理区域的受热均匀性和一致性；

所述步骤2）中在笛卡儿坐标系下对束斑波形进行数学拟合是指利用笛卡尔坐标系下的X、Y位移分量来描述步骤1）生成的波形，根据X、Y坐标值对曲线进行拟合；数学拟合是指采用最小二乘法进行拟合；

所述步骤3）中对拟合曲线进行编程和存贮是指利用电子束焊接的数控系统进行编程，并存贮在计算机控制系统中。

2.根据权利要求l所述的一种用于电子束表面处理的均匀束斑方法，其特征在于：步骤3）中编程环境为LARA52型电子束焊机的EXA S数控系统。

3.根据权利要求l所述的一种用于电子束表面处理的均匀束斑方法，其特征在于：步骤4）中表面处理工艺试验是指在钛板或其他涂层表面进行试验；工艺试验参数包括电子束加速电压、工作高度、电子束电流、电子束扫描频率、扫描速度；工艺试验采用正交实验法。

4.根据权利要求1所述的一种用于电子束表面处理的均匀束斑方法，其特征在于：步骤5）中参数优化是指根据正交试验结果分析各个参数对扫描处理结果的影响程度，并参数的取值范围进行优化处理；参数优化还包括束斑截面大小的设计；即根据被处理工件的尺寸，该束斑的截面大小可以通过电子束聚焦线圈和x，y扫描线圈的电流进行调节，从而按照最经济合理的方式进行表面处理．提高工作效率。

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