CN103706938B - 一种利用多热源控制残余应力的电子束焊接的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用多热源控制残余应力的电子束焊接的方法及系统，所述方法包括：获取预焊接的试板的板材厚度、材料种类以及焊接过程中的变形控制要求；根据板材厚度、材料种类以及变形控制要求确定焊接过程中的工艺参数，所述的工艺参数包括辅助热源与焊接热源的横向距离、纵向距离、辅助热源与焊接热源的能量分配比例、焊接热源的束流、辅助热源的束流、焊接速度、扫描频率以及焊接时间；根据所述的辅助热源与焊接热源的横向距离、纵向距离编辑扫描图形；电子束焊机根据所述的扫描图形以及所述的工艺参数完成所述试板的焊接过程。通过编辑扫描图形并结合磁场的偏转控制多束流电子束对工件的扫描，达到最终控制焊后变形和残余应力的目的。

Description

一种利用多热源控制残余应力的电子束焊接的方法及系统
技术领域
本发明关于电子束加工技术领域，特别是关于电子束的焊接技术，具体的讲是一种利用多热源控制残余应力的电子束焊接的方法及系统。
背景技术
传统的电子束焊接技术因其能量密度高、热影响区小、焊接质量高等优先，在工程领域中应用十分广泛。但是，有些零件或结构由于对焊接残余应力和变形的控制要求比较高，而且有些材料、零件结构无法进行焊后整体热处理，对经济效益产生重大的影响。为此，现有技术中亟需在电子束焊接过程中尽量控制或降低残余应力和变形。
传统的电子束焊接技术存在如下不足：
(1).电子束焊接存在残余应力或变形，无法满足某些零件的高精度尺寸要求。
(2).某些零件由于材料或结构的限制，无法进行后续热处理。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种利用多热源控制残余应力的电子束焊接的方法及系统，基于热拉伸效应的基本原理，在电子束焊接过程中，通过在焊缝两侧利用电子束扫描实现的特定形貌的辅助热源进行加热，使受热区膨胀，从而在焊缝及近缝区削弱或消除焊缝及近缝区上压缩塑性应变，并有效降低拉伸残余应力。
本发明的目的之一是，提供一种利用多热源控制残余应力的电子束焊接的方法，包括：获取预焊接的试板的板材厚度、材料种类以及焊接过程中的变形控制要求；根据所述的板材厚度、材料种类以及变形控制要求确定焊接过程中的工艺参数，所述的工艺参数包括辅助热源与焊接热源的横向距离、纵向距离、辅助热源与焊接热源的能量分配比例、焊接热源的束流、辅助热源的束流、焊接速度、扫描频率以及焊接时间；根据所述的辅助热源与焊接热源的横向距离、纵向距离编辑扫描图形；电子束焊机根据所述的扫描图形以及所述的工艺参数完成所述试板的焊接过程。
本发明的目的之一是，提供了一种利用多热源控制残余应力的电子束焊接的系统，包括：电子束焊机以及扫描图形编辑器，所述的扫描图形编辑器，用于获取预焊接的试板的板材厚度、材料种类以及焊接过程中的变形控制要求，根据所述的板材厚度、材料种类以及变形控制要求确定焊接过程中的工艺参数，所述的工艺参数包括辅助热源与焊接热源的横向距离、纵向距离、辅助热源与焊接热源的能量分配比例、焊接热源的束流、辅助热源的束流、焊接速度、扫描频率以及焊接时间，根据所述的辅助热源与焊接热源的横向距离、纵向距离编辑扫描图形；所述的电子束焊机，用于根据所述的扫描图形以及所述的工艺参数完成所述试板的焊接过程。
本发明的有益效果在于，提供了一种利用多热源控制残余应力的电子束焊接的方法及系统，与现有技术相比，借助于多束流技术，通过编辑扫描图形并结合磁场的偏转控制多束流电子束对工件的扫描，实现多热源控制，从而调节焊接过程中的温度场，达到利用热拉伸效应动态控制焊接过程中的应力应变分布、最终控制焊后变形和残余应力的目的，采用后置式热源，扫描图形种类、热源分布位置、束流能量分布均可灵活控制，焊后变形和残余应力控制有效，具有广阔的应用前景。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种利用多热源控制残余应力的电子束焊接的方法的流程图；
图2为图1中的步骤S104的具体流程图；
图3为本发明实施例提供的一种利用多热源控制残余应力的电子束焊接的系统的示意图；
图4为本发明提供的一种利用多热源控制残余应力的电子束焊接的系统中电子束焊机的结构框图；
图5为本发明提供的一种利用多热源控制残余应力的电子束焊接的方法中热拉伸效应的示意图；
图6为编辑的扫描图形中焊接热源和辅助热源的位置示意图；
图7为辅助热源的扫描元素种类为M×N点阵的示意图；
图8为辅助热源的扫描元素种类为同心圆的示意图；
图9为辅助热源的扫描元素种类为同心椭圆的示意图；
图10为辅助热源的扫描元素种类为同心矩形阵的示意图；
图11为辅助热源的扫描元素种类为阿基米德螺旋线的示意图；
图12为具体实施例中焊接后的试板的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
有鉴于现有技术中有些零件或结构对焊接残余应力和变形的控制要求比较高，而且有些材料、零件结构无法进行焊后整体热处理，对经济效益产生重大的影响。为此，需要在电子束焊接过程中尽量控制或降低残余应力和变形。本发明提出一种利用多热源控制残余应力的电子束焊接的方法，图1为该方法的具体流程图，由图1可知，所述的方法包括：
S101：获取预焊接的试板的板材厚度、材料种类以及焊接过程中的变形控制要求。如图5所示的具体实施例中的两块试板10，焊缝为40，在该实施例中，板材尺寸为500mm*225mm，板材厚度为5mm，材料种类为碳钢，焊接过程中的变形控制要求为要求焊接后试板横向和纵向的收缩变形控制在0.5mm以内。在本发明的其他实施方式中，材料种类还可为金属，包括不锈钢或钛合金或铜合金或铝合金等。
S102：根据所述的板材厚度、材料种类以及变形控制要求确定焊接过程中的工艺参数，所述的工艺参数包括辅助热源与焊接热源的横向距离、纵向距离、辅助热源与焊接热源的能量分配比例、焊接热源的束流、辅助热源的束流、焊接速度、扫描频率以及焊接时间。
如图5所示的具体实施例中，由于板材尺寸为500mm*225mm，板材厚度为5mm，材料种类为碳钢，要求焊接后试板横向和纵向的收缩变形控制在0.5mm以内，因此将工艺参数分别设置为：两个辅助热源20与焊接热源30的横向距离dx为20毫米、纵向距离dy为280毫米、辅助热源与焊接热源的能量分配比例1:3:1、焊接热源的束流为9mA、辅助热源的束流为3mA，焊接速度为5mm/s，扫描频率为500Hz，焊接时间为100s。。
多束流内每束热源(焊接热源和辅助热源)的能量分配取决于由束流在不同作用位置的停留时间，该停留时间可通过增加或减少一个完整的扫描周期内束流扫描特定位置的次数来决定，也就是说通过增加或减小一个扫描周期内，扫描图形中特定位置元素重复的次数实现。
S103：根据所述的辅助热源与焊接热源的横向距离、纵向距离编辑扫描图形。在具体的实施方式中，编辑扫描图形可通过图形编辑软件来实现。辅助热源的位置取决于辅助热源相对于焊接热源的横向距离dy和纵向距离dx(如图5所示)，可根据所需辅助热源的位置设计扫描图形中焊接热源和辅助热源的位置，如图6所示。一般来说，dx的取值范围为：15-30mm，dy的取值范围为：180-350mm。
辅助热源的扫描元素种类在不同的实施方式中可以选择，一般来说，扫描元素的种类可为如图7所示的M×N点阵，或如图8所示的同心圆，或如图9所示的同心椭圆，或如图10所示的同心矩形阵，或如图11所示的阿基米德螺旋线等，扫描元素的大小由所需辅助热源的实际面积决定。
S104：电子束焊机根据所述的扫描图形以及所述的工艺参数完成所述试板的焊接过程，图2为步骤S104的具体流程图，由图2可知，该步骤具体包括：
S201：将所述的试板置于所述电子束焊机的真空室内，真空室可抽真空至5x10-2帕以下。
S202：所述电子束焊机的扫描控制系统获取所述的扫描图形；
S203：所述电子束焊机根据所述的工艺参数设置控制平台；
S204：所述电子束焊机的电子枪完成焊接过程。扫描图形通过数据线上传到电子束焊机的扫描控制系统中；电子束焊机的扫描控制系统将扫描图形转化为磁场信号，传输到偏转线圈中；偏转线圈根据所接受的磁场信号，将电子束偏摆到指定位置，形成焊接热源和辅助热源。试板在焊接热源的作用下，完成焊接过程。
如上所述即为本发明提供的一种利用多热源控制残余应力的电子束焊接的方法，利用多热源控制残余应力的技术要点是合理设计辅助热源位置、合理分配辅助热源和焊接热源的能量，从而实现温度场的调节、建立热拉伸效应。辅助热源位置的设计和多束流内每束能量的分配均可通过设计扫描图形实现。
本发明提出一种利用多热源控制残余应力的电子束焊接的系统，图3为该系统的示意图，由图3可知，所述的系统包括电子束焊机100以及扫描图形编辑器200，
所述的扫描图形编辑器200，用于获取预焊接的试板的板材厚度、材料种类以及焊接过程中的变形控制要求。如图5所示的具体实施例中的两块试板10，在该实施例中，板材尺寸为500mm*225mm，板材厚度为5mm，材料种类为碳钢，要求焊接后试板横向和纵向的收缩变形控制在0.5mm以内。在本发明的其他实施方式中，材料种类还可为金属，包括不锈钢或钛合金或铜合金或铝合金等。
所述的扫描图形编辑器200，还用于根据所述的板材厚度、材料种类以及变形控制要求确定焊接过程中的工艺参数，所述的工艺参数包括辅助热源与焊接热源的横向距离、纵向距离、辅助热源与焊接热源的能量分配比例、焊接热源的束流、辅助热源的束流、焊接速度、扫描频率以及焊接时间。
如图5所示的具体实施例中，由于板材尺寸为500mm*225mm、板材厚度为5mm、材料种类为碳钢、要求焊接后试板横向和纵向的收缩变形控制在0.5mm，因此将工艺参数分别设置为：两个辅助热源20与焊接热源30的横向距离dx为20毫米、纵向距离dy为280毫米、辅助热源与焊接热源的能量分配比例1:3:1、焊接热源的束流为9mA、辅助热源的束流为3mA，焊接速度为5mm/s，扫描频率为500Hz，焊接时间为100s。
多束流内每束热源(焊接热源和辅助热源)的能量分配取决于由束流在不同作用位置的停留时间，该停留时间可通过增加或减少一个完整的扫描周期内束流扫描特定位置的次数来决定，也就是说通过增加或减小一个扫描周期内，扫描图形中特定位置元素重复的次数实现。
所述的扫描图形编辑器200，还用于根据所述的辅助热源与焊接热源的横向距离、纵向距离编辑扫描图形。在具体的实施方式中，辅助热源的位置取决于辅助热源相对于焊接热源的横向距离dy和纵向距离dx(如图5所示)，可根据所需辅助热源的位置设计扫描图形中焊接热源和辅助热源的位置，如图6所示。一般来说，dx的取值范围为：15-30mm，dy的取值范围为：180-350mm。
辅助热源的扫描元素种类在不同的实施方式中可以选择，一般来说，扫描元素的种类可为如图7所示的M×N点阵，或如图8所示的同心圆，或如图9所示的同心椭圆，或如图10所示的同心矩形阵，或如图11所示的阿基米德螺旋线等，扫描元素的大小由所需辅助热源的实际面积决定。
电子束焊机100，用于根据所述的扫描图形以及所述的工艺参数完成所述试板的焊接过程，图4为本发明提供的一种利用多热源控制残余应力的电子束焊接的系统中电子束焊机的结构框图，由图4可知，该电子束焊机具体包括：
真空室101，用于放置所述的试板，在具体的实施方式中，将所述的试板置于所述电子束焊机的真空室内，真空室可抽真空至5x10-2帕以下。
扫描控制系统102，用于获取所述的扫描图形；
控制平台103，其根据所述的工艺参数进行设置；
所述的电子枪104，用于完成焊接过程。
本发明中的电子束焊机可为现有技术中的任何电子束焊机，由于电子束焊机与扫描图形编辑器相连接，扫描图形编辑器输出编辑后的扫描图形，因此利用多束流技术，通过设计扫描图形，即可实现辅助热源的位置设计和能量分配，从而实现调节焊接过程温度场，动态控制焊接过程中的应力应变分布及控制焊后变形和残余应力。
下面结合具体的实施例，详细介绍本发明的技术方案。本实施例的试板采用碳钢材料，板材尺寸为500mm*225mm，板材厚度为5mm，材料种类为碳钢，要求焊接后试板横向和纵向的收缩变形控制在0.5mm以内。根据所述的板材厚度、材料种类以及变形控制要求确定焊接过程中的工艺参数分别为：两个辅助热源20与焊接热源30的横向距离dx为20毫米、纵向距离dy为280毫米、辅助热源扫描元素选用同心圆，同心圆的最大半径为10mm，辅助热源与焊接热源的能量分配为1:3:1，焊接热源的束流为9mA、辅助热源的束流为3mA，焊接速度为5mm/s，扫描频率为500Hz，焊接时间为100s。
编辑扫描图形后，将试板放入真空室中，抽真空，当真空抽到5x10-2帕以下时，将电子束设备内的电子枪的工作电压加到150kV，并将阴极灯丝加热，调整聚焦电流为2287mA，将扫描图形上传到电子束焊机的扫描控制系统中；
调节控制平台的参数值为确定出的工艺参数，使得焊接热源束流大小9mA、辅助热源束流大小为3mA，焊接速度5mm/s，扫描频率500Hz；
打开束流开关，从CCD观察系统观察扫描过程，待完成焊接即到达焊接时间时，束流关断，扫描功能关闭，完成焊接过程，真空室放气后，即可将试板拿出，焊接后的试板如图12所示。
综上所述，针对现有技术的不足，本发明提供了一种利用多热源控制残余应力的电子束焊接的方法及系统，该方案的基本原理是基于热拉伸效应，在电子束焊接过程中，通过在焊缝两侧利用电子束扫描实现的特定形貌的辅助热源进行加热，使受热区膨胀，从而在焊缝及近缝区削弱或消除焊缝及近缝区上压缩塑性应变，并有效降低拉伸残余应力。
该方案借助于多束流技术，通过编辑扫描图形并结合磁场的偏转控制多束流电子束对工件的扫描，实现多热源控制，从而调节焊接过程中的温度场，达到利用热拉伸效应动态控制焊接过程中的应力应变分布、最终控制焊后变形和残余应力的目的。该方法中，采用后置式热源，扫描图形种类、热源分布位置、束流能量分布均可灵活控制，焊后变形和残余应力控制有效，具有广阔的应用前景。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一般计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (12)

1.一种利用多热源控制残余应力的电子束焊接的方法，其特征是，所述的方法具体包括：
获取预焊接的试板的板材厚度、材料种类以及焊接过程中的变形控制要求；
根据所述的板材厚度、材料种类以及变形控制要求确定焊接过程中的工艺参数，所述的工艺参数包括辅助热源与焊接热源的横向距离、纵向距离、辅助热源与焊接热源的能量分配比例、焊接热源的束流、辅助热源的束流、焊接速度、扫描频率以及焊接时间；
根据所述的辅助热源与焊接热源的横向距离、纵向距离编辑扫描图形；
电子束焊机根据所述的扫描图形以及所述的工艺参数完成所述试板的焊接过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，电子束焊机根据所述的扫描图形以及所述的工艺参数完成所述试板的焊接过程具体包括：
将所述的试板置于所述电子束焊机的真空室内；
所述电子束焊机的扫描控制系统获取所述的扫描图形；
所述电子束焊机根据所述的工艺参数设置控制平台；
所述电子束焊机的电子枪完成焊接过程。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的材料种类为金属。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的材料种类为碳钢或钛合金或铜合金或铝合金或不锈钢。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征是，所述辅助热源与焊接热源的横向距离为15～30毫米，纵向距离为180～350毫米。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述辅助热源的扫描元素种类为M×N点阵或同心圆或同心椭圆或同心矩形阵或阿基米德螺旋线，其中M、N为正整数。
7.一种利用多热源控制残余应力的电子束焊接的系统，其特征是，所述的系统具体包括电子束焊机以及扫描图形编辑器，
所述的扫描图形编辑器，用于获取预焊接的试板的板材厚度、材料种类以及焊接过程中的变形控制要求，根据所述的板材厚度、材料种类以及变形控制要求确定焊接过程中的工艺参数，所述的工艺参数包括辅助热源与焊接热源的横向距离、纵向距离、辅助热源与焊接热源的能量分配比例、焊接热源的束流、辅助热源的束流、焊接速度、扫描频率以及焊接时间，根据所述的辅助热源与焊接热源的横向距离、纵向距离编辑扫描图形；
所述的电子束焊机，用于根据所述的扫描图形以及所述的工艺参数完成所述试板的焊接过程。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征是，所述的电子束焊机具体包括：
真空室，用于放置所述的试板；
扫描控制系统，用于获取所述的扫描图形；
控制平台，其根据所述的工艺参数进行设置；
电子枪，用于完成焊接过程。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征是，所述的材料种类为金属。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征是，所述的材料种类为碳钢或钛合金或铜合金或铝合金或不锈钢。
11.根据权利要求9或10所述的系统，其特征是，所述辅助热源与焊接热源的横向距离为15～30毫米，纵向距离为180～350毫米。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征是，所述辅助热源的扫描元素种类为M×N点阵或同心圆或同心椭圆或同心矩形阵或阿基米德螺旋线，其中M、N为正整数。
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