CN102039483B - 材料热加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料热加工方法，其中以已知方式使电子束工作斑与工件相对运动。在真正热处理前，通过按理想加工轮廓的存储数据以低能量密度或高速度使电子束工作斑相对工件运动并叠加一横向于理想加工轮廓的扫描运动，得出有效加工轮廓。测量由工件散射回的电子束的与扫描运动偏移量相关的强度、由此获得“展开的”有效加工轮廓的图像性图示。这实现了简单、标准化的评估并易于下面调节相应于有效加工轮廓的控制参数，其中电子束工作斑在相对工件运动(没有扫描运动)的所有点上击中希望的加工轮廓。现可在该控制参数下以足以热处理的能量密度和/或较低的速度重新使电子束工作斑相对工件运动。以此方式可补偿电子束在工件上的击中点的几何偏差以及磁偏差。

Description

材料热加工方法
技术领域
本发明涉及一种材料加工方法，其中
a)使电子束聚焦到工件的表面上；
b)使电子束的工作斑与工件之间发生相对运动，在所述相对运动期间，工作斑沿着加工轮廓(运动)；
c)根据控制参数来控制工作斑与工件之间的相对运动，所述控制参数由控制装置从所存储的理想加工轮廓中导出。
背景技术
利用电子束来进行的热加工、例如焊接的质量在很大程度上与电子束的工作斑在其相对于工件进行相对运动时有多精确地击中所希望的加工轮廓、在焊接两个部件的情况下有多精确地击中在要焊接的部件之间的接缝轨迹(Fugenverlauf)的精确度有关。在开头所述类型的已知的材料加工方法中，出于不同的原因会关于这一点出现不精确性。第一种原因是：在真实的加工轮廓和存储在控制装置中的期望的加工轮廓之间存在几何偏差，该期望的加工轮廓下面也称为“理想”加工轮廓。
该几何偏差本身可能是由于对工件的不精确的夹紧以及由于在制造工件时出现的公差所造成。由于所述几何偏差，电子束的工作斑虽然能正确地沿着理想加工轮廓(运动)，但此时不能击中或不能处处都击中真实的加工轮廓。电子束的工作斑和真实加工轮廓之间的偏差的第二种原因可能是，在工件中存在剩余磁感应，电子束在其影响下发生偏移。这导致，当电子束的工作斑沿着所存储的理想加工轮廓运动时，电子束的工作斑甚至不能击中真实加工轮廓。因此，所述由磁引起的偏差导致一行为，该行为无论如何从结果看等于是真实加工轮廓与理想加工轮廓的几何偏差。工作斑不能击中或不能处处都击中真实加工轮廓的其他原因可能是，在对运动进行编程处理时出现误差。
为了确保电子束的工作斑处处都能击中真实加工轮廓，必须根据控制参数来控制所述电子束的工作斑，所述控制参数与一可能与理想加工轮廓以及真实加工轮廓均存在偏差的加工轮廓相对应，该加工轮廓在此称为“有效/实际”加工轮廓。如果不考虑电子束的磁偏移，则有效加工轮廓与真实加工轮廓相当。
发明内容
本发明的目的是：如此设计一种开头所述类型的电子束材料加工方法，使得能以易于理解的方式图示出有效加工轮廓与理想加工轮廓之间的偏差，从而给出可简单地修正所述偏差的可能性。
根据本发明以下述方式实现所述目的，即
d)在真正的焊接过程之前通过下述方式确定有效加工轮廓，
da)按照所存储的理想加工轮廓的数据以不足以进行热处理的运行参数使电子射束的工作斑相对于所述工件进行相对运动；
db)在多个点上为与所述理想加工轮廓相应的所述相对运动叠加一扫描运动，所述扫描运动横向于所述理想加工轮廓并在两侧超出所述理想加工轮廓；
dc)测量由工件散射回的电子束的、与扫描运动的偏移量有关的强度；
dd)将在步骤dc中得出的、在各个扫描运动下测得的强度关系并列放置成形成工件的图像性的图示，在该图示中在一根轴上描述了在加工轮廓的方向上的相对运动的进展而在一第二轴中描述有效加工轮廓与理想加工轮廓的偏差。
上面在da)下提及“运行参数”时，其特别是指电子束工作斑中的能量密度和/或工作斑与工件之间的相对运动的速度。
在开头所述特征c)的意义中，“控制参数”应理解成所有由控制装置产生的、用于引起电子束的焦点与工件之间的确定的相对运动的参数。在此，特别是涉及控制电流和/或控制电压的大小和时间历程，所述控制电流和/或控制电压用于电子束的偏移和/或用于电子束和/或工件的机械运动。
在根据本发明的方法中，以下述方式产生一种加工轮廓的“展开”形式，即与加工轮廓的真实的、通常弯曲的轨迹/走向(Verlauf)无关地，理想加工轮廓总是显示为直线而有效加工轮廓与理想加工轮廓的偏差总是显示为与该直线形的偏差。这特别是对于非技术的或仅初学的操作人员来说易于理解，并且此外显示了一种特别好地适于随后对偏差进行修正的形式。
根据本发明，在还用于实施真正的材料加工方法的同一装置中进行有效加工轮廓的确定，所述有效加工轮廓考虑了电子束在工件上的“撞击轨迹”与理想加工轮廓的由几何和磁引起的偏差。这意味着相对于用于确定真实的加工轮廓的光学方法具有多个优点：一方面，设备费用极少，因为大体上所有必要的部件本来就存在于电子束设备中。此外，根据本发明的方法之所以优于光学方法是因为，用于确定有效加工轮廓的电子束和其在随后真正的材料加工时所做的一样“瞄准”加工轮廓，使得特别是还可以虑及不能以光学的方式进行检测的磁偏移。
根据本发明的方法特别好地适用于焊接两个部件，其中加工轮廓是在两个彼此要连接成工件的部件之间的接缝。
在对有效加工轮廓与理想加工轮廓的偏差进行检测后能特别简单地实施一修正步骤，利用所述修正步骤修正所述偏差以用于热处理。其特征在于，在步骤d)之后
e)如此调节与得出的所述有效加工轮廓相应的控制参数，使得在沿有效加工轮廓的方向进展相对运动时电子束的工作斑处处都位于所述有效加工轮廓上；
f)然后，在适于热处理的运行参数下重新实施所述电子束的工作斑与工件之间的相对运动。
根据步骤e)对控制参数的调节在多种情况下能根据经验来进行，因为在很短的经验后利用系统由得出的有效加工轮廓的形状可以推断出控制参数的必要的修正方式。无论如何，在控制参数的每次修正后都能容易地识别，(新的)有效加工轮廓是否已经接近所希望的直线形。在确定的特征偏差中还能研发一种算法，利用所述算法能将偏差减小到允许的大小。
电子束的工作斑和工件之间的相对运动还能以机械的方式通过工件的运动和/或电子束源连同成像元件的运动来实现。为此不需要显著的设备费用；所述运动是较缓慢的。
替代地或附加地，电子束的工作斑和工件之间的相对运动能以电的方式通过电子束的偏移来实现。这以较少的设备费用和无惯性的方式实现，但是当然受到几何界限的限制。无论如何，至少扫描运动以电的方式通过电子束的相应偏移来实施，是有利的。
在上文中说到扫描运动的方向需要“横向”于理想加工轮廓的方向时，意味着不一定是直角。虽然在多种情况下出于分析处理的原因，扫描运动的方向在理想加工轮廓的相应点上垂直于切线是有利的。但原则上还可以考虑其它任意角度。
可能会出现，在夹紧工件时较粗略地错误定位的情况。在这种情况下下述方法可以证实是有用的，在该方法中在确定有效加工轮廓之前(如在特征d)所述的)，利用散射回的电子束产生工件的图像，由此获得关于工件在系统固有的坐标系内的位置的信息，然后以机械或电子的方式补偿所述位置与规定位置/理论位置的偏差。虽然原则上，如果扫描运动的振幅足够大，则可以在没有“预定位”的情况下实施(本发明的方法)。但通常，所述振幅出于构造技术的原因是有限制的，从而在确定有效加工轮廓之前必须先“移正”工件的“粗位置/宏观位置”。
附图说明
作为本发明的实施例，下面借助附图更详细地阐述将两个部件焊接成工件；其中示出了：
图1示意性示出用于电子束焊接的设备；
图2示出工件的俯视图，所述工件包括两个要彼此焊接的部件；
图3同样示意性示出在真正的电子束焊接之前进行的扫描过程；
图4示出在扫描过程中获得的、在所测得的有效接缝与被编程处理的理想接缝轨迹相一致的位置处的信号；
图5示出在扫描过程中获得的、在所测得的有效接缝偏离于被编程处理的理想接缝轨迹的位置处的信号；
图6示意性示出在对与理想接缝轨迹的偏差进行修正之前的“展开的”有效接缝轨迹；
图7示意性示出修正后的“展开的”有效接缝轨迹。
具体实施方式
首先参看图1。图1示出了总体以附图标记1标注的本身已知的用于电子束焊接的设备。因此仅简短描述就足够了。
设备1在一真空密封的壳体(未示出)中从上向下包括一电子束源2、一包含好些个致偏电极的定心和消像散器单元3、一包括适合的线圈的聚焦透镜4以及x-y-致偏线圈5。工件6放在操纵器7上，利用所述操纵器7该工件6能在x-y-平面内以由电机驱动的方式高精度地运动。
此外，在一控制装置9中产生有用于好些个放大器10的输出信号，所述放大器10本身又将适合的电流或电压施加到定心和消像散器单元3、聚焦透镜4、致偏线圈5、以及操纵器7上。
利用上述各个电流或电压，电子束11能聚焦到工件6上，并且这样形成的工作斑能在工件6上移动。
在致偏线圈5的下方设置有传感器板12，所述传感器板12能检测由工件6散射回的电子。如在现有技术中已知的那样，利用传感器板12例如能产生工件6的图像，该图像完全类似于光学图像。
在应用上面借助图1阐述的设备1的情况下，现在可以如下所述地实施本发明的焊接方法。该描述借助示例性的工件6(在图2中示出)来进行，所述工件包括两个要彼此焊接的部件6a和6b。在两个部件6a，6b之间存在理想焊接接缝13，所述理想焊接接缝13在焊接的情况下形成加工轮廓并存储在设备1的控制装置9中。由于如上所述的并且在下面还要进一步更详尽地阐述的误差，电子束11的工作斑不能沿着理想的接缝轨迹13(进行)，而是沿有效的接缝轨迹14(进行)，该有效的接缝轨迹14在以点线示出的区域中偏离于理想的接缝轨迹13。
沿着理想接缝轨迹13示出多个不同的用于描述目的的参考点1至46。
首先由在工件6上散射回的电子束11产生工件6的图像或部分图像，所述图像能确定工件6在设备1的系统固有的坐标系中的粗位置/宏观位置。如果该位置明显偏离于所存储的规定位置/理论位置，则利用操纵器7使工件6移近该规定位置。
现在以下述方式为真正的焊接做准备工作：
在图3中以较细的线13示出在两个要彼此焊接的部件6a，6b之间的理想接缝轨迹的一部段，该理想接缝轨迹如上所述以适合的方式在控制装置9中进行编程处理。以略粗的线14示出“有效”接缝轨迹的相应部段，所述“有效”接缝轨迹由于各种影响而偏离于理想的接缝轨迹13。这种偏差通常由真实的接缝轨迹的真实几何偏差产生，该几何偏差本身可能由于工件6在操纵器7上的误差的夹紧或者要彼此焊接的部件6a，6b的制造公差的原因而造成。然而有效接缝轨迹14与理想接缝轨迹13的偏差还可能是由于非几何原因造成的，即：电子束11在磁性部件6a，6b的情况下由于存在的剩磁而偏移/偏转成，使得理想接缝13不能准确地被电子束11打中。
为了得出有效接缝轨迹14，在在真正的焊接过程前进行的扫描过程中如下进行处理：
电子束11的工作斑以不足以实现焊接的较高的速度和/或降低的能量密度沿着理想接缝轨迹13运动，其中在该进给运动上叠加一与理想接缝轨迹13的各个切线方向垂直的扫描运动15或16。该扫描运动15或16在两侧超出“理想”接缝轨迹13一振幅a(参见图3和图4)。在电子束11的进给运动和扫描运动15或16期间，利用设备1的传感器板12接收强度信号。此时，得到随工作斑从理想接缝轨迹13的偏离量而变化的、确定的强度波动函数，如在图4和图5中所示的那样。
首先，可在图3中看到理想接缝轨迹13的位置A，在该处理想接缝轨迹13与有效接缝轨迹14相一致。在这种情况下，利用传感器板12得出的、散射回的电子束11的强度的变化历程如图4所示。明显的最小值处于“零”位置，即电子束11的扫描运动15正好与“理想”接缝轨迹13相交的位置。
与此不同，在图3中的位置B处，理想接缝轨迹13与有效接缝轨迹14明显偏离。在该位置处利用传感器板12获得的强度信号在图5中示出。在这种情况下也出现明显的强度最小值，但是该强度最小值位于电子束11的工作斑在理想接缝轨迹13上运动的位置的侧旁。
为了以能容易理解的方式图示出有效接缝轨迹14，不使用如在图4和图5中示出的强度曲线。而是选择一与工件6的在理想接缝轨迹13附近的图像相对应的图示。为此，例如将根据图4和图5的强度变化历程转换成灰度值。在不同扫描运动下得到的灰度值以如图6所示的方式并列放置。该附图特别是示出了在图2的46个参考点上的灰度值分布。有效接缝轨迹14的位置可以通过粗的深色线看出。
基于上面借助图3所述的、在扫描过程中的做法，得到有效接缝轨迹14的一种展开(Abwicklung)形式。如果该有效接缝轨迹处处都与理想接缝轨迹13相一致，则总是——即与理想接缝轨迹13在工件6上的几何形式无关地——得到一直线来作为图像，如在图7中示出的那样。有效接缝轨迹14与理想接缝轨迹13的偏差以图像与所述直线形的相应偏差来表现，如图6所示。
明显地，可以非常迅速且易于理解地对作为扫描过程的结果获得的图像进行评估，之所以这样是因为，理想接缝轨迹13在所述图像中的基本形状与在工件6上的真实的几何接缝轨迹无关地总是一条直线，有效接缝轨迹14与理想接缝轨迹13的偏差在图像中总是与该直线形的偏差。
“展开的”有效接缝轨迹14的图像性的图示的“标准化”还能以使有效接缝轨迹14与理想接缝轨迹13的偏差减小的方式使得对控制装置9的控制参数的修正变得容易。在此，通常经验知识便足以实施控制参数的成功改变。根据这种变化实施的另外的扫描过程立刻能让人明白：所做的对控制参数的修正是否是沿正确的方向实施、有效接缝轨迹14的图像性的图示是否更好地接近直线形。
在某些情况下，还可为有效接缝轨迹14与理想的接缝轨迹13的偏差的确定形状配设一种算法，利用所述算法能计算出新的控制参数，所述新的控制参数适用于修正对电子束11的引导。
如果所述扫描过程结束且在控制装置9中设定有适用于修正的新的控制参数，则电子束11现在能以工作斑中的足够的能量密度和/或相应地较低的速度无问题地沿着有效接缝轨迹14被引导进行真正的焊接过程，从而位于有效接缝轨迹14两侧的部件6a，6b能高精度地彼此连接。
代替电子地通过电子束的偏移来实现电子束11的工作斑和工件6之间的相对运动，所述相对运动还能通过操纵器7上的工件6的机械运动或者通过电子束源2连同所属的成像元件3，4，5，12的机械运动来实现。
如上所述，两个部件的焊接仅是材料热加工方法的一个示例。然而在其它方法中的做法原则上相同，其中在上面的描述中用通用术语“加工轮廓”代替专用术语“接缝轨迹”。
本发明的上面的说明通过一个示例来进行，其中有效加工轮廓与理想加工轮廓的偏差仅沿一个方向存在。然而，根据本发明的方法也适用于有效加工轮廓与理想加工轮廓的偏差还在其他方向上存在的情况。这种偏差以根据图6或图7的图像的局部不清晰的方式表现出来。在所述方向上的修正如此进行，使得该图像在其整个尺寸上变得清晰。

Claims (7)

1.一种材料热加工方法，其中
a)使电子束聚焦到工件的表面上；
b)使电子束的工作斑与工件之间发生相对运动，在所述相对运动期间，工作斑沿着一加工轮廓运动；
c)根据控制参数来控制工作斑与工件之间的所述相对运动，所述控制参数由控制装置从所存储的理想加工轮廓中导出；
其特征在于，
d)在真正的加工过程之前通过下述方式确定有效加工轮廓(14)，
da)使电子束(11)的工作斑根据所存储的理想加工轮廓(13)的数据以不足以进行热处理的运行参数实施相对于所述工件(6)的相对运动；
db)在多个点上在与所述理想加工轮廓(13)相应的所述相对运动上叠加一扫描运动，所述扫描运动横向于所述理想加工轮廓(13)并且在两侧超出所述理想加工轮廓；
dc)测量由工件(6)散射回的电子束(11)的、与所述扫描运动的偏移量有关的强度；
dd)将在步骤dc)中得出的、在各个扫描运动下测得的强度关系并列放置成形成所述工件(6)的图像性的图示，在该图示中在一根轴上描述了在所述加工轮廓(13)的方向上的所述相对运动的进展，而在第二轴中描述有效加工轮廓(14)与理想加工轮廓(13)的偏差。
2.根据权利要求1所述的材料热加工方法，其特征在于，所述加工轮廓(13，14)是一在要彼此连接成工件(6)的两个部件(6a，6b)之间的接缝。
3.根据权利要求1或2所述的材料热加工方法，其特征在于，在步骤dd)后，
e)如此调节与所得出的所述有效加工轮廓(14)相应的控制参数，使得在沿所述有效加工轮廓(14)的方向进展所述相对运动时电子束(11)的工作斑处处都位于所述有效加工轮廓(14)上；
f)然后在适于热处理的运行参数下重新实施所述电子束(11)的工作斑与所述工件之间的所述相对运动。
4.根据权利要求1或2所述的材料热加工方法，其特征在于，所述电子束(11)的工作斑与所述工件(6)之间的所述相对运动以机械的方式通过所述工件的运动和/或电子束源(2)连同成像元件(3，4，5)的运动来进行。
5.根据权利要求1或2所述的材料热加工方法，其特征在于，所述电子束(11)的工作斑与所述工件(6)之间的所述相对运动以电的方式通过所述电子束(11)的偏移来发生。
6.根据权利要求1或2所述的材料热加工方法，其特征在于，所述扫描运动的方向垂直于在所述理想加工轮廓(13)的相应点上的切线。
7.根据权利要求1或2所述的材料热加工方法，其特征在于，在步骤d)中确定有效加工轮廓(14)之前，利用散射回的电子束产生所述工件(6)的图像，进而获得关于该工件在系统固有的坐标系内的位置的信息，然后以机械或电的方式补偿所述位置与规定位置的偏差。
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