CN109290670B - 一种门洞类复杂舱体电子束焊接方法 - Google Patents

一种门洞类复杂舱体电子束焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种门洞类复杂舱体电子束焊接方法，包括：依据舱体焊缝对接面的形状规划焊缝路径，AB段和EF段分别代表U形门洞段的一对竖直段，节点C和节点D位于内圆弧段上；调整待焊接舱段的初始状态，使U形门洞段的开口朝上并且使U形门洞段处于水平状态；利用电子束沿CD段进行焊接；驱动待焊接舱段相对于初始状态向一个方向转动第一角度，利用电子束沿BC段进行焊接；驱动待焊接舱段相对于初始状态向一个方向转动第二角度，利用电子束沿AB段进行焊接。本发明根据焊缝对接面的形状对焊接路径进行划分，对各段采用不同的焊接角度，避免了空间结构对焊缝的干涉，实现了门洞类复杂舱体的一次焊接成形，提高了焊缝质量及焊接效率。

Description

一种门洞类复杂舱体电子束焊接方法
技术领域
本发明属于空间复杂结构焊接领域，尤其涉及一种门洞类复杂舱体电子束焊接方法。
背景技术
随着航天新技术的发展，产品的不断轻量化、隐身化使得其结构更加复杂，部分舱体也由规则的回转结构逐渐向不规则的异型结构转变。同时，根据不同的加工方法，各部件的材料更加多样化，对异种材料的焊接也提出更高的要求。U形门洞类复杂舱体对接焊缝涉及到空间结构对焊缝位置形成干涉、大厚度焊接、异种材料焊接、变厚度焊接等焊接难题，大大增加了电子束焊接路径规划及焊接工艺参数制定的难度，使用传统的焊接编程方法难以保证焊接效率及焊缝质量。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，给出了一种门洞类复杂舱体电子束焊接方法。
本发明的技术解决方案是：一种门洞类复杂舱体电子束焊接方法，包括以下步骤：
步骤一、构建待焊接舱段的舱体焊缝对接面，所述舱体焊缝对接面由一个外圆弧段、一个U形门洞段以及一对水平直线段构成，所述外圆弧段将所述U形门洞段包围于其内侧，所述U形门洞段由一对竖直段和一个内圆弧段构成，每个水平直线段的一端与每个竖直段的外侧端连接，每个水平直线段的另一端与所述外圆弧段连接；
步骤二、依据所述舱体焊缝对接面的形状规划焊缝路径，其具体过程为：以所述外圆弧段和所述一对水平直线段作为外侧焊缝路径；在U形门洞段上规划6个节点，从其中一个竖直端的外侧端开始依次用A、B、C、D、E和F表示，AB段和EF段分别代表所述U形门洞段的一对竖直段，节点C和节点D位于所述内圆弧段上，相对于所述U形门洞段的对称轴对称分布，从而将所述U形门洞段的焊缝路径划分为AB段、BC段、CD段、DE段和EF段；
步骤三、将所述待焊接舱段可转动地设置在真空电子束焊机平台，且保证所述待焊接舱段的转动圆心为所述外圆弧段的圆心，控制电子束方向为竖直向下；
步骤四、调整所述待焊接舱段的初始状态，使所述U形门洞段的开口朝上并且使所述U形门洞段的节点A和节点F之间的连线处于水平状态；利用电子束沿所述CD段进行焊接；
步骤五、驱动所述待焊接舱段相对于初始状态向一个方向转动第一角度，使电子束能够通过所述U形门洞段的开口到达所述BC段；利用所述电子束沿所述BC段进行焊接；驱动所述待焊接舱段相对于初始状态向另一个方向转动第一角度，使电子束能够通过所述U形门洞段的开口到达所述DE段；利用所述电子束沿所述DE段进行焊接；
步骤六、驱动所述待焊接舱段相对于初始状态向一个方向转动第二角度，使电子束能够通过所述U形门洞段的开口到达所述AB段；利用所述电子束沿所述AB段进行焊接；驱动所述待焊接舱段相对于初始状态向另一个方向转动第二角度，使电子束能够通过所述U形门洞段的开口到达所述EF段；利用所述电子束沿所述EF段进行焊接；
步骤七、驱动所述待焊接舱段相对于转动圆心旋转，随着所述待焊接舱段的旋转，利用电子束沿所述外侧焊接路径进行焊接。
优选的是，所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法中，
所述步骤四中，利用电子束沿所述CD段进行焊接时，所述电子束从所述CD段的节点D移动至节点C，随着所述电子束的移动，根据工作距离的变化调节工作聚焦电流的大小；
所述步骤五中，利用所述电子束沿所述BC段进行焊接时，所述电子束从所述BD段的节点C移动至节点B，随着所述电子束的移动，根据工作距离的变化调节工作聚焦电流的大小；利用所述电子束沿所述DE段进行焊接时，所述电子束从所述DE段的节点D移动至节点E，随着所述电子束的移动，根据工作距离的变化调节工作聚焦电流的大小；
所述步骤六中，利用所述电子束沿所述AB段进行焊接时，所述电子束从所述AB段的节点B移动至节点A，随着所述电子束的移动，根据工作距离的变化调节工作聚焦电流的大小；利用所述电子束沿所述EF段进行焊接时，所述电子束从所述EF段的节点E移动至节点F，随着所述电子束的移动，根据工作距离的变化调节工作聚焦电流的大小。
优选的是，所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法中，
所述步骤四中，在正式焊接之前，先根据节点D的工作距离确定节点D的聚焦电流值，再根据所述U形门洞段的最低点的工作距离确定该最低点的聚焦电流值，则在利用电子束沿所述CD段进行焊接时，随着所述电子束从节点D移动至该最低点，工作聚焦电流相对于电子束的移动距离呈线性变化，变化区间为节点D的聚焦电流值到最低点的聚焦电流值；随着所述电子束从该最低点移动至该节点C，工作聚焦电流相对于电子束的移动距离呈线性变化，变化区间为最低点的聚焦电流值到节点C的聚焦电流值，节点C的聚焦电流值与节点D的聚焦电流值相等；
所述步骤五中，在正式焊接之前，先根据节点B的工作距离确定节点B的聚焦电流值，再根据节点C的工作距离确定节点C的聚焦电流值，则在利用电子束沿所述BC段进行焊接时，随着所述电子束从节点C移动至节点B，工作聚焦电流相对于电子束的移动距离呈线性变化，变化区间为节点C的聚焦电流值到节点B的聚焦电流值；在正式焊接之前，先根据节点D的工作距离确定节点D的聚焦电流值，再根据节点E的工作距离确定节点E的聚焦电流值，则在利用电子束沿所述DE段进行焊接时，随着所述电子束从节点D移动至节点E，工作聚焦电流相对于电子束的移动距离呈线性变化，变化区间为节点E的聚焦电流值到节点E的聚焦电流值；
所述步骤六中，在正式焊接之前，先根据节点A的工作距离确定节点A的聚焦电流值，再根据节点B的工作距离确定节点B的聚焦电流值，则在利用电子束沿所述AB段进行焊接时，随着所述电子束从节点B移动至节点A，工作聚焦电流相对于电子束的移动距离呈线性变化，变化区间为节点B的聚焦电流值到节点A的聚焦电流值；在正式焊接之前，先根据节点E的工作距离确定节点E的聚焦电流值，再根据节点F的工作距离确定节点F的聚焦电流值，则在利用电子束沿所述EF段进行焊接时，随着所述电子束从节点E移动至节点F，工作聚焦电流相对于电子束的移动距离呈线性变化，变化区间为节点E的聚焦电流值到节点F的聚焦电流值。
优选的是，所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法中，根据任一节点的工作距离确定该节点的聚焦电流值的具体过程是，通过肉眼观察形成在焊缝表面的光斑，调节聚焦电流值使光斑达到最小最亮的状态，此时的聚焦电流值即为与该节点的工作距离相适应的聚焦电流值。
优选的是，所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法中，
所述步骤四中，利用电子束沿所述CD段进行焊接的焊接工艺参数为：加速电压U60kV；电子束流Ib 60～70mA；焊接速度v 1000mm/min；聚焦电流Ic从节点D到最低点的变化区间为1700mA到1760mA，聚焦电流Ic从最低点到节点C的变化区间为1760mA到1700mA；
所述步骤五中，利用电子束沿所述BC段和所述DE段进行焊接的焊接工艺参数为：加速电压U 60kV；电子束流Ib 75～85mA；焊接速度v 900mm/min；聚焦电流Ic从节点C到节点B以及从节点D到节点E的变化区间均为1790mA到1750mA；
所述步骤六中，利用电子束沿所述AB段和所述EF段进行焊接的焊接工艺参数为：加速电压U 60kV；电子束流Ib 90～100mA；焊接速度v 580mm/min；聚焦电流Ic从节点B到节点A以及从节点E到节点F的变化区间均为1960mA到1780mA。
优选的是，所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法中，利用电子束对任一段进行焊接时，所述电子束采用摆动扫描的形式进行焊接，摆动扫描所形成的扫描轨迹以椭圆形扫描轨迹为重复单元，由多个椭圆形扫描轨迹排列而成，其中，所述椭圆形扫描轨迹的短轴在焊缝上，所述椭圆形扫描轨迹的长轴与焊缝垂直。
优选的是，所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法中，所述椭圆形扫描轨迹的短轴长度为2mm，所述椭圆形扫描轨迹的短轴长度为4mm，扫描频率为500Hz。
优选的是，所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法中，所述待焊接舱段为由5A06铝合金制成的一侧舱段和由ZL114A铝合金制成的一侧舱段组成。
优选的是，所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法中，所述第一角度为35°，所述第二角度为50°。
优选的是，所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法中，所述U形门洞段的节点C和节点D之间的直线线段的长度与节点A和节点F之间的直线线段的长度比值为9:11。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明根据门洞类复杂舱体焊缝对接面的形状对焊接路径进行划分，对各段采用不同的焊接角度，避免了空间结构对焊缝的干涉，可实现真空电子束焊机一次装夹进舱完成焊接，实现门洞类复杂舱体的一次焊接成形，提高了焊缝的质量及焊接效率；
(2)本发明针对不同分段采用不同的焊接工工艺参数，有效保证了焊缝质量，同时提高了焊接效率；
(3)本发明使用双余弦扫描焊接工艺参数，可以改善焊缝成形，有效的控制焊缝的气孔缺陷，提高了焊缝质量。
附图说明
图1为在一个实施例中舱体焊缝对接面的主视图；
图2为在一个实施例中U形门洞段的示意图；
图3为在一个实施例中对U形门洞段的CD段的焊接示意图；
图4(a)为在一个实施例中对U形门洞段的BC段的焊接示意图；
图4(b)为在一个实施例中对U形门洞段的DE段的焊接示意图；
图5(a)为在一个实施例中对U形门洞段的AB段的焊接示意图；
图5(b)为在一个实施例中对U形门洞段的EF段的焊接示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
如图1至图5(b)所示，本发明提供了一种门洞类复杂舱体电子束焊接方法，包括以下步骤：
步骤一、构建待焊接舱段的舱体焊缝对接面，所述舱体焊缝对接面由一个外圆弧段1、一个U形门洞段3以及一对水平直线段2构成，所述外圆弧段1将所述U形门洞段3包围于其内侧，所述U形门洞段3由一对竖直段4和一个内圆弧段5构成，每个水平直线段2的一端与每个竖直段4的外侧端连接，每个水平直线段2的另一端与所述外圆弧段1连接。
步骤二、依据所述舱体焊缝对接面的形状规划焊缝路径，其具体过程为：以所述外圆弧段和所述一对水平直线段作为外侧焊缝路径；在U形门洞段上规划6个节点，从其中一个竖直端的外侧端开始依次用A、B、C、D、E和F表示，AB段和EF段分别代表所述U形门洞段的一对竖直段，节点C和节点D位于所述内圆弧段上，相对于所述U形门洞段的对称轴对称分布，从而将所述U形门洞段的焊缝路径划分为AB段、BC段、CD段、DE段和EF段。
步骤三、将所述待焊接舱段可转动地设置在真空电子束焊机平台，且保证所述待焊接舱段的转动圆心为所述外圆弧段的圆心，控制电子束方向为竖直向下。
步骤四、调整所述待焊接舱段的初始状态，使所述U形门洞段的开口朝上并且使所述U形门洞段的节点A和节点F之间的连线处于水平状态；利用电子束沿所述CD段进行焊接。
步骤五、驱动所述待焊接舱段相对于初始状态向一个方向转动第一角度，使电子束能够通过所述U形门洞段的开口到达所述BC段；利用所述电子束沿所述BC段进行焊接；驱动所述待焊接舱段相对于初始状态向另一个方向转动第一角度，使电子束能够通过所述U形门洞段的开口到达所述DE段；利用所述电子束沿所述DE段进行焊接。
步骤六、驱动所述待焊接舱段相对于初始状态向一个方向转动第二角度，使电子束能够通过所述U形门洞段的开口到达所述AB段；利用所述电子束沿所述AB段进行焊接；驱动所述待焊接舱段相对于初始状态向另一个方向转动第二角度，使电子束能够通过所述U形门洞段的开口到达所述EF段；利用所述电子束沿所述EF段进行焊接。
步骤七、驱动所述待焊接舱段相对于转动圆心旋转，随着所述待焊接舱段的旋转，利用电子束沿所述外侧焊接路径进行焊接。将电子枪固定在待焊接舱段的上方，使电子束位于焊缝对接面内，并且使电子束经过外圆弧段的圆心。保持电子束的位置不动，驱动待焊接舱段旋转，使电子束能够到达其中一个水平直线段(比如与节点A衔接的水平直线段)和外圆弧段，从该水平直线段的一端开始，进行焊接。随着焊接进行，待焊接舱段向顺时针继续旋转，电子束对外圆弧段进行焊接，继续旋转，直至电子束扫描到另一个水平直线段的与节点F衔接的一端，从而完成对整个外侧焊接路径的焊接。
节点C和节点D在内圆弧段上的一个选择依据是，使CD段尽量长，以尽量获得较高的焊接效率(这是因为焊接CD段时待焊接舱段不须旋转，可以直接进行焊接)。但由于电子束是竖直向下射入的，为了避免电子束与U形门洞段的竖直段发生干涉，节点C和节点D还须选择在与竖直段避开一定距离的位置，即电子束可以与竖直段保持一定距离。
具体地，将电子枪固定在待焊接舱段的上方，使电子束位于焊缝对接面内，并且使电子束经过外圆弧段的圆心。对于BC段、DE段、AB段和EF段，通过旋转待焊接舱段，使得电子束可以通过U形门洞段的开口射入，并到达相应需要焊接的部位。
本发明的焊接顺序是从中间向两侧，即先焊接CD段，再焊接两侧的BC段和DE段，最后焊接最外侧的AB段和EF段，使得U形门洞段的中间部位先保持稳定地连接，在后续的旋转动作中，U形门洞段均不容易发生错位或者变形，有助于获得更好的焊接效果。
本发明根据门洞类复杂舱体焊缝对接面的形状对焊接路径进行划分，对各段采用不同的焊接角度，避免了空间结构对焊缝的干涉，可实现真空电子束焊机一次装夹进舱完成焊接，实现门洞类复杂舱体的一次焊接成形，提高了焊缝的质量及焊接效率。
在一个优选的实施例中，所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法中，所述步骤四中，利用电子束沿所述CD段进行焊接时，所述电子束从所述CD段的节点D移动至节点C，随着所述电子束的移动，根据工作距离的变化调节工作聚焦电流的大小；所述步骤五中，利用所述电子束沿所述BC段进行焊接时，所述电子束从所述BD段的节点C移动至节点B，随着所述电子束的移动，根据工作距离的变化调节工作聚焦电流的大小；利用所述电子束沿所述DE段进行焊接时，所述电子束从所述DE段的节点D移动至节点E，随着所述电子束的移动，根据工作距离的变化调节工作聚焦电流的大小；所述步骤六中，利用所述电子束沿所述AB段进行焊接时，所述电子束从所述AB段的节点B移动至节点A，随着所述电子束的移动，根据工作距离的变化调节工作聚焦电流的大小；利用所述电子束沿所述EF段进行焊接时，所述电子束从所述EF段的节点E移动至节点F，随着所述电子束的移动，根据工作距离的变化调节工作聚焦电流的大小。
步骤四中，在利用电子束对CD段进行焊接时，该段焊缝的焊接厚度基本一致(实施例一中基本为10mm)。因此，可以根据工作距离的变化调节工作聚焦电流，从而获得更好的焊缝质量。对于其他参数，则可以保持一个定值，而不须随工作距离进行改变。
步骤五中，在利用电子束对BC段进行焊接时，焊缝厚度不断变化(实施例一中从节点C处焊缝厚度10.6mm到节点B处焊缝厚度16.6mm)，同时焊接时工作距离也发生变化，因此工作聚焦电流也需要随焊缝位置不断变化，从而进一步改善焊缝质量。焊接DE段时焊缝厚度、工作距离以及工作聚焦电流的情况一样。对于其他参数，则可以保持一个定值，而不须随工作距离进行改变。
步骤六中，在利用电子束对AB段进行焊接时，焊缝厚度基本一致(实施例一中从节点B处的焊缝厚度12.9mm到节点A处焊缝厚度13.1mm)，焊接时的工作距离变化较大，因此需要在焊接过程中根据焊缝位置变化调节工作聚焦电流，从而进一步改善焊缝质量。焊接DE段时焊缝厚度、工作距离以及工作聚焦电流的情况一样。对于其他参数，则可以保持一个定值，而不须随工作距离进行改变。
本发明采用分段焊接，针对不同分段设计不同的焊接角度以及焊接工工艺参数，避免空间结构对焊缝的干涉，可以有效改善焊缝质量，同时提高了焊接效率。
在一个优选的实施例中，所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法中，所述步骤四中，在正式焊接之前，先根据节点D的工作距离确定节点D的聚焦电流值，再根据所述U形门洞段的最低点的工作距离确定该最低点的聚焦电流值，则在利用电子束沿所述CD段进行焊接时，随着所述电子束从节点D移动至该最低点，工作聚焦电流相对于电子束的移动距离呈线性变化，变化区间为节点D的聚焦电流值到最低点的聚焦电流值；随着所述电子束从该最低点移动至该节点C，工作聚焦电流相对于电子束的移动距离呈线性变化，变化区间为最低点的聚焦电流值到节点C的聚焦电流值，节点C的聚焦电流值与节点D的聚焦电流值相等；所述步骤五中，在正式焊接之前，先根据节点B的工作距离确定节点B的聚焦电流值，再根据节点C的工作距离确定节点C的聚焦电流值，则在利用电子束沿所述BC段进行焊接时，随着所述电子束从节点C移动至节点B，工作聚焦电流相对于电子束的移动距离呈线性变化，变化区间为节点C的聚焦电流值到节点B的聚焦电流值；在正式焊接之前，先根据节点D的工作距离确定节点D的聚焦电流值，再根据节点E的工作距离确定节点E的聚焦电流值，则在利用电子束沿所述DE段进行焊接时，随着所述电子束从节点D移动至节点E，工作聚焦电流相对于电子束的移动距离呈线性变化，变化区间为节点E的聚焦电流值到节点E的聚焦电流值；所述步骤六中，在正式焊接之前，先根据节点A的工作距离确定节点A的聚焦电流值，再根据节点B的工作距离确定节点B的聚焦电流值，则在利用电子束沿所述AB段进行焊接时，随着所述电子束从节点B移动至节点A，工作聚焦电流相对于电子束的移动距离呈线性变化，变化区间为节点B的聚焦电流值到节点A的聚焦电流值；在正式焊接之前，先根据节点E的工作距离确定节点E的聚焦电流值，再根据节点F的工作距离确定节点F的聚焦电流值，则在利用电子束沿所述EF段进行焊接时，随着所述电子束从节点E移动至节点F，工作聚焦电流相对于电子束的移动距离呈线性变化，变化区间为节点E的聚焦电流值到节点F的聚焦电流值。
上述在不同步骤中确定同一节点的聚焦电流值的过程应理解为两个独立的过程，这是因为，在不同的步骤中，待焊接舱段的状态(即相对于初始状态的角度是不同的)，同一节点的工作距离也势必不同，其所对应的聚焦电流值也不同。举例来说，步骤四中待焊接舱段处于初始状态，可以认为是处于0°的位置，步骤五中待焊接舱段逆时针旋转过第一角度，步骤四中的节点C和步骤五中的节点C的工作距离不同，其聚焦电流值也不同，需要分别测量。
在一个优选的实施例中，所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法中，根据任一节点的工作距离确定该节点的聚焦电流值的具体过程是，通过肉眼观察形成在焊缝表面的光斑，调节聚焦电流值使光斑达到最小最亮的状态，此时的聚焦电流值即为与该节点的工作距离相适应的聚焦电流值。
在一个优选的实施例中，所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法中，所述步骤四中，利用电子束沿所述CD段进行焊接的焊接工艺参数为：加速电压U60kV；电子束流Ib 60～70mA；焊接速度v 1000mm/min；聚焦电流Ic从节点D到最低点的变化区间为1700mA到1760mA，聚焦电流Ic从最低点到节点C的变化区间为1760mA到1700mA；所述步骤五中，利用电子束沿所述BC段和所述DE段进行焊接的焊接工艺参数为：加速电压U 60kV；电子束流Ib75～85mA；焊接速度v 900mm/min；聚焦电流Ic从节点C到节点B以及从节点D到节点E的变化区间均为1790mA到1750mA；所述步骤六中，利用电子束沿所述AB段和所述EF段进行焊接的焊接工艺参数为：加速电压U 60kV；电子束流Ib 90～100mA；焊接速度v 580mm/min；聚焦电流Ic从节点B到节点A以及从节点E到节点F的变化区间均为1960mA到1780mA。
本发明采用分段焊接，针对不同分段设计不同的焊接工工艺参数，可以有效改善焊缝质量。步骤五中，电子束流在所给定的范围内选择一个定值。
在一个优选的实施例中，所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法中，利用电子束对任一段进行焊接时，所述电子束采用摆动扫描的形式进行焊接，摆动扫描所形成的扫描轨迹以椭圆形扫描轨迹为重复单元，由多个椭圆形扫描轨迹排列而成，其中，所述椭圆形扫描轨迹的短轴在焊缝上，所述椭圆形扫描轨迹的长轴与焊缝垂直。。
优选的是，所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法中，利用电子束对任一段进行焊接时，通过电磁线圈使电子束产生摆动扫描，使电子束焊缝适当加宽，防止因电子束的束流直径小，产生焊缝焊偏，同时还起到对焊缝熔池的搅拌避免气孔、夹杂等缺陷。
扫描形式为：利用x轴和y轴构建一个经过焊缝、且垂直电子束流的平面(即焊缝表面)，其中，x轴平行于焊缝，x轴的方向与焊接方向相同，y轴垂直于焊缝，电子束以双余弦的形式进行扫描，即同时相对于x轴和y轴做余弦形式的摆动，且所述电子束相对于x轴的余弦摆动轨迹和相对于y轴余弦摆动轨迹的相差是89°，并且在x轴上的摆动幅值VX为1mm，在y轴上的摆动幅值VY为2mm，所合成出来的扫描图形的重复单元就是以焊缝中心一点为中心的椭圆形扫描轨迹，椭圆形扫描轨迹的长轴为VY摆动振幅的2倍，椭圆形扫描轨迹的短轴为VX摆动振幅的2倍，扫描频率(即在单位时间内椭圆形扫描轨迹的个数)为500Hz。
在一个优选的实施例中，所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法中，所述椭圆形扫描轨迹的短轴长度为2mm，所述椭圆形扫描轨迹的短轴长度为4mm，扫描频率为500Hz。
电子束的扫描方式为双余弦的方式，其扫描路径可以拟合成一个以椭圆形扫描轨迹为重复单元的扫描轨迹。其目的在于，对被电子束融化的金属熔池进行搅拌，从而促使熔池内的气体释放，进而有效控制焊缝中的气孔缺陷，提高焊缝质量。
在一个优选的实施例中，所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法中，所述待焊接舱段为由5A06铝合金制成的一侧舱段和由ZL114A铝合金制成的一侧舱段组成。
在该实施例中，5A06铝合金制成的一侧舱段对应于舱体的盖板部分，ZL114A铝合金制成的一侧舱段则构成舱体的主要部分。针对两种材料，需要分别进行焊前清理。将5A06铝合金制成的一侧舱段进行酸洗，去除表面油污、氧化膜；对ZL114A铝合金制成的一侧舱段进行高压水清洗，在60～80℃下烘干1h。完成后使用钢丝刷将焊接区域打磨至露出亮白色金属光泽，并用酒精擦拭干净。焊前进行化学清洗与机械清理，可有效去除工件表面的油污、氧化物避免焊缝形成气孔、夹渣等缺陷。
在一个优选的实施例中，所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法中，所述第一角度为35°，所述第二角度为50°。
如图4(a)所示，对于BC段，通过逆时针旋转待焊接舱段35°，使得电子束可以通过U形门洞段的开口射入，并到达BC段，从而实现对整段的焊接。如图4(b)所示，对于DE段，通过顺时针旋转待焊接舱段35°(或者是如果以逆时针作为正方向的话，则为旋转-35°)，使得电子束可以通过U形门洞段的开口射入，并到达DE段，从而实现对整段的焊接。
如图5(a)所示，对于AB段，通过逆时针旋转待焊接舱段50°，使得电子束可以通过U形门洞段的开口射入，并到达AB段，从而实现对整段的焊接。如图5(b)所示，对于EF段，通过顺时针旋转待焊接舱段50°(或者是如果以逆时针作为正方向的话，则为旋转-50°)，使得电子束可以通过U形门洞段的开口射入，并到达EF段，从而实现对整段的焊接。
在一个优选的实施例中，所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法中，所述U形门洞段的节点C和节点D之间的直线线段的长度与节点A和节点F之间的直线线段的长度比值为9:11。
节点C和节点D在内圆弧段上的一个选择依据是，使CD段尽量长，同时尽量避免电子束竖直射入时与竖直段发生干涉，从而获得更好的焊接质量和更高的焊接效率。在一个具体的实施例中，U形门洞段的宽度，即节点A到节点F之间的直线线段的长度为220mm，节点C和节点D之间的直线线段的长度为180mm。
实施例1
本实施例例中待焊接舱段为由5A06铝合金制成的一侧舱段和由ZL114A铝合金制成的一侧舱段组成，焊缝对接面如图1所示。焊缝的对接形式为锁底对接结构，对接面厚度为10mm，锁底厚度为4mm。
具体实施过程按以下步骤进行：
步骤1：焊前准备
将5A06铝合金制成的一侧舱段进行酸洗，去除表面油污、氧化膜，ZL114A铝合金制成的一侧舱段进行高压水清洗，在60～80℃下烘干1h。完成后使用钢丝刷将焊接区域打磨至露出亮白色金属光泽，并用酒精擦拭干净。
步骤2：分段划线
对焊缝对接部位进行分段划线，将整个门洞类焊缝路径分为6段，以所述外圆弧段和所述一对水平直线段作为外侧焊缝路径，U形门洞段又划分为5段，分别为AB段、BC段、CD段、DE段、EF段(如图2所示)；
步骤3：焊接装配
使用焊接工装装配待焊接舱段，保证装配位置正确，待焊面间隙不大于0.1mm，错边量不大于0.2mm。装配完成后将待焊接舱段及工装吊装至真空电子束焊机平台，待焊接舱段的转动圆心为外圆弧段的圆心，调整水平并进行固定(节点A和节点F之间的连线处于水平位置，且U形门洞段的开口朝上)。抽真空，保证真空室真空度在2～7×10-2Pa条件下施焊。
步骤4：电子束焊接
步骤4.1：真空度满足要求后进行电子束光斑对中，采用NC数控编程对各分段进行焊接轨迹示教。各分段焊缝接头处需重叠5～10mm。
步骤4.2：对CD段焊缝进行焊接。焊接过程中部件处于水平0°位置，如附图3所示。
焊接工艺参数：加速电压U＝60kV；电子束流Ib＝60mA；焊接速度v＝1000mm/min；聚焦电流Ic从节点D到最低点的变化区间为1700mA到1760mA，聚焦电流Ic从最低点到节点C的变化区间为1760mA到1700mA；电子束流扫描方式：双余弦，扫描幅值VX＝1mm(沿焊接方向)，VY＝2mm(焊接垂直方向)，扫描频率f＝500Hz。
步骤4.3：分别对BC段、DE段焊缝进行焊接，BC段、DE段左右对称。焊接过程中部件分别处于+35°和-35°位置，如图4(a)和图4(b)所示。
焊接工艺参数：加速电压U＝60kV；电子束流Ib＝75mA；焊接速度v＝900mm/min；聚焦电流Ic从节点C到节点B以及从节点D到节点E的变化区间均为1790mA到1750mA；扫描方式：双余弦，扫描幅值VX＝1mm，VY＝2mm，扫描频率f＝500Hz。
步骤4.4：分别对AB段、EF段焊缝进行焊接，AB段、EF段左右对称。焊接过程中部件分别处于+50和°-50°位置，如图5(a)和图5(b)所示。
焊接工艺参数：加速电压U＝60kV；电子束流Ib＝90mA；焊接速度v＝580mm/min；聚焦电流Ic从节点B到节点A以及从节点E到节点F的变化区间均为1960mA到1780mA；扫描方式：双余弦，扫描幅值VX＝1mm，VY＝2mm，扫描频率f＝500Hz。
步骤4.5：将电子枪设置在外圆弧段的上方，将电子束定位在通过外圆弧段的圆心的位置，通过旋转中心轴，来焊接外圆弧段的焊缝。外圆弧段的半径330mm。
焊接工艺参数：加速电压U＝60kV；电子束流Ib＝60mA；焊接速度v＝1000mm/min；工作距离不变，聚焦电流Ic为定值1980mA；扫描方式：双余弦，扫描幅值VX＝1mm，VY＝2mm，扫描频率f＝500Hz。
步骤5：焊后质量检测
焊后分别对焊缝进行外观质量检测和内部无损探伤。外观质量检测要求为：焊缝表面无裂纹、咬边、烧穿、气孔等缺陷。内部无损探伤要求为：焊缝进行X射线检测，焊缝质量满足GJB1718A-2005《电子束焊接》I级接头要求。焊后构件均符合外观质量检测和内部无损探伤要求。
焊后对构件焊缝部位取样，进行室温拉伸性能测试，焊缝接头拉伸强度达到280MPa，达到ZL114A母材强度的85％以上(ZL114A母材强度为320MPa)。
实施例2
本实施例例中待焊接舱段为由5A06铝合金制成的一侧舱段和由ZL114A铝合金制成的一侧舱段组成，焊缝对接面如图1所示。焊缝的对接形式为锁底对接结构，对接面厚度为10mm，锁底厚度为4mm。
具体实施过程按以下步骤进行：
步骤1：焊前准备
将5A06铝合金制成的一侧舱段进行酸洗，去除表面油污、氧化膜，ZL114A铝合金制成的一侧舱段进行高压水清洗，在60～80℃下烘干1h。完成后使用钢丝刷将焊接区域打磨至露出亮白色金属光泽，并用酒精擦拭干净。
步骤2：分段划线
对焊缝对接部位进行分段划线，将整个门洞类焊缝路径分为6段，以所述外圆弧段和所述一对水平直线段作为外侧焊缝路径，U形门洞段又划分为5段，分别为AB段、BC段、CD段、DE段、EF段(如图2所示)；
步骤3：焊接装配
使用焊接工装装配待焊接舱段，保证装配位置正确，待焊面间隙不大于0.1mm，错边量不大于0.2mm。装配完成后将待焊接舱段及工装吊装至真空电子束焊机平台，待焊接舱段的转动圆心为外圆弧段的圆心，调整水平并进行固定(节点A和节点F之间的连线处于水平位置，且U形门洞段的开口朝上)。抽真空，保证真空室真空度在2～7×10-2Pa条件下施焊。
步骤4：电子束焊接
步骤4.1：真空度满足要求后进行电子束光斑对中，采用NC数控编程对各分段进行焊接轨迹示教。各分段焊缝接头处需重叠5～10mm。
步骤4.2：对CD段焊缝进行焊接。焊接过程中部件处于水平0°位置，如附图3所示。
焊接工艺参数：加速电压U＝60kV；电子束流Ib＝65mA；焊接速度v＝1000mm/min；聚焦电流Ic从节点D到最低点的变化区间为1700mA到1760mA，聚焦电流Ic从最低点到节点C的变化区间为1760mA到1700mA；辅助电子束流扫描方式：双余弦，扫描幅值VX＝1mm(沿焊接方向)，VY＝2mm(焊接垂直方向)，扫描频率f＝500Hz。
步骤4.3：分别对BC段、DE段焊缝进行焊接，BC段、DE段左右对称。焊接过程中部件分别处于+35°和-35°位置，如图4(a)和图4(b)所示。
焊接工艺参数：加速电压U＝60kV；电子束流Ib＝80mA；焊接速度v＝900mm/min；聚焦电流Ic从节点C到节点B以及从节点D到节点E的变化区间均为1790mA到1750mA；扫描方式：双余弦，扫描幅值VX＝1mm，VY＝2mm，扫描频率f＝500Hz。
步骤4.4：分别对AB段、EF段焊缝进行焊接，AB段、EF段左右对称。焊接过程中部件分别处于+50和°-50°位置，如图5(a)和图5(b)所示。
焊接工艺参数：加速电压U＝60kV；电子束流Ib＝95mA；焊接速度v＝580mm/min；聚焦电流Ic从节点B到节点A以及从节点E到节点F的变化区间均为1960mA到1780mA；扫描方式：双余弦，扫描幅值VX＝1mm，VY＝2mm，扫描频率f＝500Hz。
步骤4.5：将电子枪设置在外圆弧段的上方，将电子束定位在通过外圆弧段的圆心的位置，通过旋转中心轴，来焊接外圆弧段的焊缝。外弧半径330mm。
焊接工艺参数：加速电压U＝60kV；电子束流Ib＝60mA；焊接速度v＝1000mm/min；工作距离不变，聚焦电流Ic为定值1980mA；扫描方式：双余弦，扫描幅值VX＝1mm，VY＝2mm，扫描频率f＝500Hz。
步骤5：焊后质量检测
焊后分别对焊缝进行外观质量检测和内部无损探伤。外观质量检测要求为：焊缝表面无裂纹、咬边、烧穿、气孔等缺陷。内部无损探伤要求为：焊缝进行X射线检测，焊缝质量满足GJB1718A-2005《电子束焊接》I级接头要求。焊后构件均符合外观质量检测和内部无损探伤要求。
焊后对构件焊缝部位取样，进行室温拉伸性能测试，焊缝接头拉伸强度达到283MPa，达到ZL114A母材强度的85％以上(ZL114A母材强度为320MPa)。
实施例3
本实施例例中待焊接舱段为由5A06铝合金制成的一侧舱段和由ZL114A铝合金制成的一侧舱段组成，焊缝对接面如图1所示。焊缝的对接形式为锁底对接结构，对接面厚度为10mm，锁底厚度为4mm。
具体实施过程按以下步骤进行：
步骤1：焊前准备
将5A06铝合金制成的一侧舱段进行酸洗，去除表面油污、氧化膜，ZL114A铝合金制成的一侧舱段进行高压水清洗，在60～80℃下烘干1h。完成后使用钢丝刷将焊接区域打磨至露出亮白色金属光泽，并用酒精擦拭干净。
步骤2：分段划线
对焊缝对接部位进行分段划线，将整个门洞类焊缝路径分为6段，以所述外圆弧段和所述一对水平直线段作为外侧焊缝路径，U形门洞段又划分为5段，分别为AB段、BC段、CD段、DE段、EF段(如图2所示)；
步骤3：焊接装配
使用焊接工装装配待焊接舱段，保证装配位置正确，待焊面间隙不大于0.1mm，错边量不大于0.2mm。装配完成后将待焊接舱段及工装吊装至真空电子束焊机平台，待焊接舱段的转动圆心为外圆弧段的圆心，调整水平并进行固定(节点A和节点F之间的连线处于水平位置，且U形门洞段的开口朝上)。抽真空，保证真空室真空度在2～7×10-2Pa条件下施焊。
步骤4：电子束焊接
步骤4.1：真空度满足要求后进行电子束光斑对中，采用NC数控编程对各分段进行焊接轨迹示教。各分段焊缝接头处需重叠5～10mm。
步骤4.2：对CD段焊缝进行焊接。焊接过程中部件处于水平0°位置，如附图3所示。
焊接工艺参数：加速电压U＝60kV；电子束流Ib＝70mA；焊接速度v＝1000mm/min；聚焦电流Ic从节点D到最低点的变化区间为1700mA到1760mA，聚焦电流Ic从最低点到节点C的变化区间为1760mA到1700mA；辅助电子束流扫描方式：双余弦，扫描幅值VX＝1mm(沿焊接方向)，VY＝2mm(焊接垂直方向)，扫描频率f＝500Hz。
步骤4.3：分别对BC段、DE段焊缝进行焊接，BC段、DE段左右对称。焊接过程中部件分别处于+35°和-35°位置，如图4(a)和图4(b)所示。
焊接工艺参数：加速电压U＝60kV；电子束流Ib＝85mA；焊接速度v＝900mm/min；聚焦电流Ic从节点C到节点B以及从节点D到节点E的变化区间均为1790mA到1750mA；扫描方式：双余弦，扫描幅值VX＝1mm，VY＝2mm，扫描频率f＝500Hz。
步骤4.4：分别对AB段、EF段焊缝进行焊接，AB段、EF段左右对称。焊接过程中部件分别处于+50和°-50°位置，如图5(a)和图5(b)所示。
焊接工艺参数：加速电压U＝60kV；电子束流Ib＝100mA；焊接速度v＝580mm/min；聚焦电流Ic从节点B到节点A以及从节点E到节点F的变化区间均为1960mA到1780mA；扫描方式：双余弦，扫描幅值VX＝1mm，VY＝2mm，扫描频率f＝500Hz。
步骤4.5：将电子枪设置在外圆弧段的上方，将电子束定位在通过外圆弧段的圆心的位置，通过旋转中心轴，来焊接外圆弧段的焊缝。外弧半径330mm。
焊接工艺参数：加速电压U＝60kV；电子束流Ib＝60mA；焊接速度v＝1000mm/min；工作距离不变，聚焦电流Ic为定值1980mA；扫描方式：双余弦，扫描幅值VX＝1mm，VY＝2mm，扫描频率f＝500Hz。
步骤5：焊后质量检测
焊后分别对焊缝进行外观质量检测和内部无损探伤。外观质量检测要求为：焊缝表面无裂纹、咬边、烧穿、气孔等缺陷。内部无损探伤要求为：焊缝进行X射线检测，焊缝质量满足GJB1718A-2005《电子束焊接》I级接头要求。焊后构件均符合外观质量检测和内部无损探伤要求。
焊后对构件焊缝部位取样，进行室温拉伸性能测试，焊缝接头拉伸强度达到278MPa，达到ZL114A母材强度的85％以上(ZL114A母材强度为320MPa)。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种门洞类复杂舱体电子束焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、构建待焊接舱段的舱体焊缝对接面，所述舱体焊缝对接面由一个外圆弧段、一个U形门洞段以及一对水平直线段构成，所述外圆弧段将所述U形门洞段包围于其内侧，所述U形门洞段由一对竖直段和一个内圆弧段构成，每个水平直线段的一端与每个竖直段的外侧端连接，每个水平直线段的另一端与所述外圆弧段连接；
步骤二、依据所述舱体焊缝对接面的形状规划焊缝路径，其具体过程为：以所述外圆弧段和所述一对水平直线段作为外侧焊缝路径；在U形门洞段上规划6个节点，从其中一个竖直端的外侧端开始依次用A、B、C、D、E和F表示，AB段和EF段分别代表所述U形门洞段的一对竖直段，节点C和节点D位于所述内圆弧段上，相对于所述U形门洞段的对称轴对称分布，从而将所述U形门洞段的焊缝路径划分为AB段、BC段、CD段、DE段和EF段；
步骤三、将所述待焊接舱段可转动地设置在真空电子束焊机平台，且保证所述待焊接舱段的转动圆心为所述外圆弧段的圆心，控制电子束方向为竖直向下；
步骤四、调整所述待焊接舱段的初始状态，使所述U形门洞段的开口朝上并且使所述U形门洞段的节点A和节点F之间的连线处于水平状态；利用电子束沿所述CD段进行焊接；
步骤五、驱动所述待焊接舱段相对于初始状态向一个方向转动第一角度，使电子束能够通过所述U形门洞段的开口到达所述BC段；利用所述电子束沿所述BC段进行焊接；驱动所述待焊接舱段相对于初始状态向另一个方向转动第一角度，使电子束能够通过所述U形门洞段的开口到达所述DE段；利用所述电子束沿所述DE段进行焊接；
步骤六、驱动所述待焊接舱段相对于初始状态向一个方向转动第二角度，使电子束能够通过所述U形门洞段的开口到达所述AB段；利用所述电子束沿所述AB段进行焊接；驱动所述待焊接舱段相对于初始状态向另一个方向转动第二角度，使电子束能够通过所述U形门洞段的开口到达所述EF段；利用所述电子束沿所述EF段进行焊接；
步骤七、驱动所述待焊接舱段相对于转动圆心旋转，随着所述待焊接舱段的旋转，利用电子束沿所述外侧焊接路径进行焊接。
2.如权利要求1所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法，其特征在于，
所述步骤四中，利用电子束沿所述CD段进行焊接时，所述电子束从所述CD段的节点D移动至节点C，随着所述电子束的移动，根据工作距离的变化调节工作聚焦电流的大小；
所述步骤五中，利用所述电子束沿所述BC段进行焊接时，所述电子束从所述BC段的节点C移动至节点B，随着所述电子束的移动，根据工作距离的变化调节工作聚焦电流的大小；利用所述电子束沿所述DE段进行焊接时，所述电子束从所述DE段的节点D移动至节点E，随着所述电子束的移动，根据工作距离的变化调节工作聚焦电流的大小；
所述步骤六中，利用所述电子束沿所述AB段进行焊接时，所述电子束从所述AB段的节点B移动至节点A，随着所述电子束的移动，根据工作距离的变化调节工作聚焦电流的大小；利用所述电子束沿所述EF段进行焊接时，所述电子束从所述EF段的节点E移动至节点F，随着所述电子束的移动，根据工作距离的变化调节工作聚焦电流的大小。
3.如权利要求2所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法，其特征在于，
所述步骤四中，在正式焊接之前，先根据节点D的工作距离确定节点D的聚焦电流值，再根据所述U形门洞段的最低点的工作距离确定该最低点的聚焦电流值，则在利用电子束沿所述CD段进行焊接时，随着所述电子束从节点D移动至该最低点，工作聚焦电流相对于电子束的移动距离呈线性变化，变化区间为节点D的聚焦电流值到最低点的聚焦电流值；随着所述电子束从该最低点移动至该节点C，工作聚焦电流相对于电子束的移动距离呈线性变化，变化区间为最低点的聚焦电流值到节点C的聚焦电流值，节点C的聚焦电流值与节点D的聚焦电流值相等；
所述步骤五中，在正式焊接之前，先根据节点B的工作距离确定节点B的聚焦电流值，再根据节点C的工作距离确定节点C的聚焦电流值，则在利用电子束沿所述BC段进行焊接时，随着所述电子束从节点C移动至节点B，工作聚焦电流相对于电子束的移动距离呈线性变化，变化区间为节点C的聚焦电流值到节点B的聚焦电流值；在正式焊接之前，先根据节点D的工作距离确定节点D的聚焦电流值，再根据节点E的工作距离确定节点E的聚焦电流值，则在利用电子束沿所述DE段进行焊接时，随着所述电子束从节点D移动至节点E，工作聚焦电流相对于电子束的移动距离呈线性变化，变化区间为节点D的聚焦电流值到节点E的聚焦电流值；
所述步骤六中，在正式焊接之前，先根据节点A的工作距离确定节点A的聚焦电流值，再根据节点B的工作距离确定节点B的聚焦电流值，则在利用电子束沿所述AB段进行焊接时，随着所述电子束从节点B移动至节点A，工作聚焦电流相对于电子束的移动距离呈线性变化，变化区间为节点B的聚焦电流值到节点A的聚焦电流值；在正式焊接之前，先根据节点E的工作距离确定节点E的聚焦电流值，再根据节点F的工作距离确定节点F的聚焦电流值，则在利用电子束沿所述EF段进行焊接时，随着所述电子束从节点E移动至节点F，工作聚焦电流相对于电子束的移动距离呈线性变化，变化区间为节点E的聚焦电流值到节点F的聚焦电流值。
4.如权利要求3所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法，其特征在于，根据任一节点的工作距离确定该节点的聚焦电流值的具体过程是，通过肉眼观察形成在焊缝表面的光斑，调节聚焦电流值使光斑达到最小最亮的状态，此时的聚焦电流值即为与该节点的工作距离相适应的聚焦电流值。
5.如权利要求4所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法，其特征在于，
所述步骤四中，利用电子束沿所述CD段进行焊接的焊接工艺参数为：加速电压U 60kV；电子束流Ib 60～70mA；焊接速度v 1000mm/min；聚焦电流Ic从节点D到最低点的变化区间为1700mA到1760mA，聚焦电流Ic从最低点到节点C的变化区间为1760mA到1700mA；
所述步骤五中，利用电子束沿所述BC段和所述DE段进行焊接的焊接工艺参数为：加速电压U 60kV；电子束流Ib 75～85mA；焊接速度v 900mm/min；聚焦电流Ic从节点C到节点B以及从节点D到节点E的变化区间均为1790mA到1750mA；
所述步骤六中，利用电子束沿所述AB段和所述EF段进行焊接的焊接工艺参数为：加速电压U 60kV；电子束流Ib 90～100mA；焊接速度v 580mm/min；聚焦电流Ic从节点B到节点A以及从节点E到节点F的变化区间均为1960mA到1780mA。
6.如权利要求1所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法，其特征在于，利用电子束对任一段进行焊接时，所述电子束采用摆动扫描的形式进行焊接，摆动扫描所形成的扫描轨迹以椭圆形扫描轨迹为重复单元，由多个椭圆形扫描轨迹排列而成，其中，所述椭圆形扫描轨迹的短轴在焊缝上，所述椭圆形扫描轨迹的长轴与焊缝垂直。
7.如权利要求6所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法，其特征在于，所述椭圆形扫描轨迹的短轴长度为2mm，所述椭圆形扫描轨迹的长轴长度为4mm，扫描频率为500Hz。
8.如权利要求1至7中任一项所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法，其特征在于，所述待焊接舱段为由5A06铝合金制成的一侧舱段和由ZL114A铝合金制成的一侧舱段组成。
9.如权利要求1至7中任一项所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法，其特征在于，所述第一角度为35°，所述第二角度为50°。
10.如权利要求9所述的门洞类复杂舱体电子束焊接方法，其特征在于，所述U形门洞段的节点C和节点D之间的直线线段的长度与节点A和节点F之间的直线线段的长度比值为9:11。
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