CN101954535A - 快速确定电子束焊接参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速确定电子束焊接参数的方法，包括以下步骤：确定焊接工作距离S，选定加速电压U_a和焊接速度ν；通过临界穿透束流I_c确定焊接电流I_b；通过表面聚焦电流I_of确定聚焦电流I_f；修正焊接束流I_b。本发明的积极效果是：利用电子束焊接束流对焊缝形状的影响较小，焊缝形状随焊接束流变化近似于整体缩放；聚焦电流对焊缝形状影响较大，随聚焦电流的变化，焊缝的熔宽、熔深及成形都急剧变化等规律，率先将试验方法的着重点放在了确定聚焦电流，而非通常重点确定焊接束流，在工程实际应用中具有明显的优势。

Description

快速确定电子束焊接参数的方法

技术领域

本发明涉及一种焊接方法，尤其是涉及一种电子束焊接的方法。

背景技术

电子束是一种典型的高能束流，将其应用于焊接领域具有明显的特点，如能量密度高、焊接速度快、深宽比大、焊件变形小、保护条件好以及控制精确、灵活等，被广泛应用于难熔材料、活性金属、异质合金和特种结构件的焊接生产。但是影响电子束焊接的参数众多，除了焊接高度、加速电压、焊接束流、焊接速度、真空室真空度外，还有焦点位置以及扫描波形、扫描幅度、扫描频率等等，要想逐一确定，非常困难，尤其是焦点位置，一方面是由于焦点参数不直观、难以直接测量；另一方面是因为焦点对焊接质量的影响表现为非线性关系；此外，焊接过程的金属蒸汽还动态影响焦点位置。

工业生产中各焊件物理参数、几何参数各异，针对某焊件要确定一套匹配的电子束焊接参数通常需要经过大量的试焊、检测和反复修正各焊接参数，不仅效率低、周期长而且成本高昂，导致很多企业对这一先进焊接技术望而止步，一定层度上妨碍了电子束焊接技术的进一步推广应用。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种快速确定电子束焊接参数的方法，采用简单、通用的工艺试验方法，可快速、准确地确定电子束焊接参数，满足工程焊接需要。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种快速确定电子束焊接参数的方法，包括以下步骤：

第一步，确定焊接工作距离S； 

第二步，根据电子束焊接设备特点、性能和待焊工件的材质、厚度选定加速电压U_a和焊接速度ν；

第三步，确定焊接束流:

a)调整焊接工艺试片高度，使其工作距离与正式产品焊接工作距离相同，然后用小束流冲击焊接试片表面，同时调整聚焦电流，当观察到冲击斑点最小、光线最强、飞溅最大时则获得该工作距离下的表面聚焦电流I_of;

b)固定其它已确定的焊接参数，通过数控编程来线性调节焊接束流I_b，根据焊接试片反面成形情况及数控程序计算出工艺试片的临界穿透束流I_c；

c)根据焊缝验收技术要求和工艺试片成形质量确定焊接束流Ib，焊接束流I_b可限定在（1-10%）I_c≤I_b≤（1+10%）I_c范围内；

第四步，确定聚焦电流I_f：固定其它已确定的焊接参数，通过数控编程来线性调节聚焦电流I_f，聚焦电流I_f的调节可限定在（1-5%）I_of≤I_f≤（1+5%）I_of范围内，根据工件焊缝验收标准和焊缝成形情况选择一段最佳焊缝，然后测量此焊缝距编程起点的距离X_f，根据数控编程确定的关系曲线计算出聚焦电流I_f；

第五步，修正焊接束流I_b：装上焊接工装和待焊工件，保证待焊焊缝的工作距离为S，利用已确定的加速电压、焊接速度、聚焦电流I_f和焊接束流I_b进行焊接，并根据焊接情况微调焊接束流I_b，以满足工件焊接要求；对经过修正的焊接束流I_b，在正式焊接产品之前应在工件试验件上重新进行试焊，以校验焊接参数。 

与现有技术相比，本发明的积极效果是：利用电子束焊接束流对焊缝形状的影响较小，焊缝形状随焊接束流变化近似于整体缩放；聚焦电流对焊缝形状影响较大，随聚焦电流的变化，焊缝的熔宽、熔深及成形都急剧变化等规律，率先将试验方法的着重点放在了确定聚焦电流，而非通常重点确定焊接束流，在工程实际应用中具有明显的优势，具体表现为：

(1)本发明是在大量焊接试验基础上总结出来的，具有简单、实用等特点，用本发明的方法确定电子束焊接参数无需高深的理论基础和丰富的焊接经验，只需按部就班操作和选择判断即可。

(2)本发明可快速获得匹配的工艺参数，无需大量、反复的焊接试验、焊缝检测。运用本发明的方法，针对任一新工件，在同一块焊接试片上经过3～4次试焊即可获得匹配的焊接参数，有效缩短产品交付周期并降低生产成本。

(3)通过该发明可获得所有主要的电子束焊接参数而非某个单一参数，更接近工程实用。

(4)本发明揭示了各焊接参数之间的关系，可帮助电子束焊接从业人员进一步认识各焊接参数对焊缝的影响。

(5)本发明获得的焊接参数都是在焊接动态过程中获得的，真实反映了焊接时的复杂状态，其物理意义清晰，工程应用简单、方便、实用。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明方法的流程图；

图2临界穿透束流I_c确定示意图；

图3聚焦电流I_f确定示意图。

具体实施方式

一种快速确定电子束焊接参数的方法，如图1所示，包括如下步骤：

第一步：确定焊接工作距离S。电子束是通过电磁线圈进行聚焦的，其工作距离S决定着聚焦电流的大小，工作距离在一定范围内可自由确定。为保证焊接参数的快速可移植性，焊接工艺试片的工作距离应与焊接工件的工作距离相同。此外，作为工件焊接前用于摸索焊接参数的工艺试片其材质、状态及厚度等应与焊接工件待焊处相同。

第二步：选定加速电压Ua和焊接速度ν。电子束的加速电压和焊接速度与设备特点、性能、待焊工件材质、厚度等因数有关，可根据经验或者参照资料设定，只需满足一定范围要求即可。

第三步：按如下方法确定焊接束流I_b。

a)调整焊接工艺试片高度，使其表面距聚焦线圈端面距离为S，然后用小束流冲击焊接试片表面，同时调整聚焦电流，当观察到冲击斑点最小、光线最强、飞溅最大时则获得该工作距离下的表面聚焦电流I_of，由于焊接时聚焦焦点动态变化，此时获得的表面聚焦电流I_of可能并不是我们焊接时真正需要的数值，不过对后续焊接参数探索无影响;

b)固定其它已确定的焊接参数，数控编程线性调节焊接束流I_b，根据焊接试片反面成形情况及数控程序计算出工艺试片的临界穿透束流I_c。

如图2所示，其中X：距编程起点的距离；I：焊接束流；X_c：焊接试片上临界穿透点距编程起点的距离；I_c：临界穿透束流；f(χ)：距编程起点的距离X与焊接束流I的关系曲线，由数控编程确定。试焊后取出焊接试片，观察焊缝反面成形，测量临界穿透点距离编程起点的距离X_c，然后根据数控编程确定的关系曲线f(χ)即可计算出临界穿透束流I_c。

c)根据焊缝验收技术要求和工艺试片成形质量确定焊接束流I_b，通常情况下I_b可在（1-10%）I_c≤I_b≤（1+10%）I_c范围内选择，I_b为一定范围内可连续变化的数值，其值的选择不仅取决于焊缝验收技术条件还与操作人员的经验有关。I_C是临界穿透电流，意为刚好焊接透的电流，但此时状态很不稳定，有可能能熔透，有可能根本就未熔透，当工件要求熔透时应该选择比它大一些的电流，而无需熔透时就该选择稍微小点的电流。大或者小的范围太大的话选择比较困难，因此一般限定在一定的范围内。

第四步：确定聚焦电流I_f。固定其它已确定的焊接参数，数控编程线性调节聚焦电流I_f，聚焦电流I_f的调节可限定在（1-5%）I_of≤I_f≤（1+5%）I_of范围内，根据工件焊缝验收标准和焊缝成形情况选择一段最佳焊缝，据此计算出最佳的聚焦电流I_f。聚焦电流对焊缝的形状影响非常大，因此本发明着重强调把摸索聚焦电流作为重点，而非通常的以焊接电流为重点。聚焦分为上聚焦、表面聚焦和下聚焦，表面聚焦飞溅比较大、成形差，因此一般选择上聚焦或下聚焦，选择上聚焦或下聚焦也有个范围，这个范围一般可以选择±5%。

如图3所示，其中X：距编程起点的距离；I：聚焦电流；X_f：焊接试片上最佳焊缝处距编程起点的距离；I_f：最佳聚焦电流；f(χ)：距编程起点的距离X与聚焦电流I的关系曲线，由数控编程确定。试焊后观察焊接试片焊缝的成形质量，根据焊缝验收技术要求选择一段最佳焊缝，然后测量此焊缝距编程起点的距离X_f，根据数控编程确定的关系曲线f(χ)即可计算出聚焦电流I_f。

第五步：修正焊接束流I_b。装上焊接工装和待焊工件，待焊焊缝的工作距离为S，利用已确定的加速电压Ua、焊接速度ν、聚焦电流I_f和焊接束流I_b进行焊接，由于工件与焊接试片的散热条件有差异，因此焊接工件的参数与焊接工艺试片的参数略有区别，此时可根据焊接情况修正焊接束流I_b值，以满足工件焊接要求。若毫无焊接经验，此时还可固定其它已确定的焊接参数，数控编程线性调节焊接束流I_b，但此时调节的范围应非常小，因为电子束流变化时真空室的空间电荷效应和热扰动发生变化，可能会引起聚焦系统的聚焦能力发生变化。对经过修正的焊接束流I_b，在正式焊接产品之前应在工件试验件上重新进行试焊，以校验焊接参数。

Claims (1)

1.一种快速确定电子束焊接参数的方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，确定焊接工作距离S； 

第二步，根据电子束焊接设备特点、性能和待焊工件的材质、厚度选定加速电压U_a和焊接速度ν；

第三步，确定焊接束流：

a)调整焊接工艺试片高度，使其工作距离与正式产品焊接工作距离相同，然后用小束流冲击焊接试片表面，同时调整聚焦电流，当观察到冲击斑点最小、光线最强、飞溅最大时则获得该工作距离下的表面聚焦电流I_of；

b)固定其它已确定的焊接参数，通过数控编程来线性调节焊接束流I_b，根据焊接试片反面成形情况及数控程序计算出工艺试片的临界穿透束流I_c；

c)根据焊缝验收技术要求和工艺试片成形质量确定焊接束流Ib，焊接束流I_b可限定在（1-10%）I_c≤I_b≤（1+10%）I_c范围内；

第四步，确定聚焦电流I_f：固定其它已确定的焊接参数，通过数控编程来线性调节聚焦电流I_f，聚焦电流I_f的调节可限定在（1-5%）I_of≤I_f≤（1+5%）I_of范围内，根据工件焊缝验收标准和焊缝成形情况选择一段最佳焊缝，然后测量此焊缝距编程起点的距离X_f，根据数控编程确定的关系曲线计算出聚焦电流I_f；

第五步，修正焊接束流I_b：装上焊接工装和待焊工件，保证待焊焊缝的工作距离为S，利用已确定的加速电压、焊接速度、聚焦电流I_f和焊接束流I_b进行焊接，并根据焊接情况微调焊接束流I_b，以满足工件焊接要求；对经过修正的焊接束流I_b，在正式焊接产品之前应在工件试验件上重新进行试焊，以校验焊接参数。

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