CN110618442B - 高能束焊机束流空间形态测量方法 - Google Patents

高能束焊机束流空间形态测量方法 Download PDF

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    • G01T1/2921—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions; Radio-isotope cameras

Abstract

本发明提供了一种高能束焊机束流空间形态测量方法，包含以下步骤：焦点校正步骤：对高能束焊机的焦点进行校正；试焊调整步骤：使用高能束焊机进行试焊获得十字焊缝，根据十字焊缝调节监视屏幕中的十字叉线的位置；模拟焊接步骤：使用高能束焊机对圆片进行施焊，记录多个圆片分别出现灼伤时的形位数据；数据处理步骤：根据形位数据，获取高能束焊机的束流空间形态图。本发明综合应用了移抬脉冲式校正焦点、十字连续式校正叉线、逼近切圆式观测束径等技术，在不借助贵重专门仪器的前提下，通过极低成本的实验方式测得各类高能束焊机的束流形态，为型号产品结构设计提供了定量化的依据。

Description

高能束焊机束流空间形态测量方法
技术领域
本发明涉及高能束焊领域，具体地，涉及一种高能束焊机束流空间形态测量方法。
背景技术
随着大推力技术的快速发展，当前空间推进系统中的高能束焊接(激光焊、电子束焊)接头越来越多。这些接头的焊缝几何形态一般较为简单，但焊缝的附近往往存在着一些较高的凸台，如图1所示，由于激光束和电子束在空间中为倒圆锥形收束状态，因此对于某些凸台过于靠近焊缝的焊接结构，大概率会出现凸台边缘遭受灼伤的情况。现有技术在工艺方面没有相关的数据储备的情况下，不能定量地描述激光束和电子束在焊缝上方的能量分布形态，导致无法提前对产品设计人员做出技术要求，因此急需一种专项工艺技术测量方法，以期待能绘制出所内若干台高能束焊机的束流形态，从而为产品结构的优化提供精确的理论支持。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高能束焊机束流空间形态测量方法。
根据本发明提供的高能束焊机束流空间形态测量方法，包含以下步骤：
焦点校正步骤：对高能束焊机的焦点进行校正；
试焊调整步骤：使用高能束焊机进行试焊获得十字焊缝，根据十字焊缝调节监视屏幕中的十字叉线的位置；
模拟焊接步骤：使用高能束焊机对圆片进行施焊，记录多个圆片分别出现灼伤时的形位数据；
数据处理步骤：根据形位数据，获取高能束焊机的束流空间形态图。
优选地，所述高能束焊机包含以下任一种结构：
激光焊机：包含加工头；
电子束焊机：包含阴极；
高能束焊机为激光焊机时，所述校正板为铝板；
高能束焊机为电子束焊机时，所述校正板为钨板。
优选地，还包含以下步骤：
校正板预处理步骤：对校正板进行表面处理；
校正板安装步骤：将校正板置于高能束焊机内的待焊平台上，令校正板的上表面高度与待焊平台的卡盘的中心相同，并用量具保证校正板上表面的水平度；
图像清晰调节步骤：移动加工头或阴极，将监视屏幕中的叉线中心对准校正板的一角；调整加工头或摄像头的位置，确保监视屏幕中的校正板图像最清晰。
优选地，所述焦点校正步骤包含以下任一步骤：
激光焊机焦点校正步骤：移动加工头，在校正板上加工焊点，找出多个焊点中直径最小点，并使加工头运动至加工该直径最小点时所处的位置；
电子束焊机焦点校正步骤：一边输出焊接束流一边增减聚焦束流，待监视屏幕中反射光斑面积最大时停止输出焊接束流，记录此时的聚焦束流值。
优选地，试焊调整步骤中，在试焊板上进行试焊，试焊起始点和结束点都处于十字焊缝的交会中心；
将监视屏幕中的十字叉线与十字焊缝的两条中线进行比对，先解锁十字叉线，再对十字叉线的位置进行移动校正，最后锁定十字叉线。
优选地，模拟焊接步骤包含以下步骤：
参数设定步骤：对加工头或阴极的行进轨迹与输出参数进行设定；
数据记录步骤：将激光头或阴极垂直向外移动设定距离，然后正式下束施焊；焊后观察圆片切点位置是否有灼伤痕迹，若无则将激光头或阴极向圆片靠近设定距离并再次施焊，直至出现灼伤为止，并记录形位数据；
圆片叠加采集步骤：增加圆片，重复执行数据记录步骤，直至达到设定次数为止。
优选地，所述数据记录步骤中，激光头或阴极垂直向外移动距离为S，激光头或阴极每次向圆片靠近的设定距离为s，形位数据包含当前的圆片数量P和焊接次数Q；
圆片叠加采集步骤中，增加的圆片放置在前一块圆片的上方，单个圆片的厚度为t。
优选地，数据处理步骤中，根据束流当前横截面的高度P*t与束流当前横截面的半径S-Q*s这两个数据，获取高能束焊机的束流空间形态图。
优选地，还包含公式拟合步骤：对束流空间形态图进行数学拟合，得到高能束焊机束流的有效曲线公式。
优选地，当校正板为铝板时，在校正板预处理步骤中，将铝板经阳极氧化处理成黑色。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明综合应用了移抬脉冲式校正焦点、十字连续式校正叉线、逼近切圆式观测束径等技术，在不借助贵重专门仪器的前提下，通过极低成本的实验方式测得各类高能束焊机的束流形态，为型号产品结构设计提供了定量化的依据。
2、本发明避免了零件结构设计有误时出现的遮挡烧伤现象，解决了焊接科研生产时容易出现的质量难题。
3、本发明能够普遍适用于常见的气/固/半导体/光纤式激光焊机和中/高真空电子束焊机。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为现有技术中产品生产质量问题示意图；
图2为本发明实施例中激光束多次行进轨迹示意图；
图3为本发明实施例中HL2006D型固体激光焊机输出束流空间形态测绘图；
图4为高能束焊机束流空间形态测量方法流程图。
图中示出：1为圆片；a为光束行进轨道1；b为光束行进轨道2。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图4所示，本发明提供的高能束焊机束流空间形态测量方法，包含以下步骤：焦点校正步骤：对高能束焊机的焦点进行校正；试焊调整步骤：使用高能束焊机进行试焊获得十字焊缝，根据十字焊缝调节监视屏幕中的十字叉线的位置；模拟焊接步骤：使用高能束焊机对圆片进行施焊，记录多个圆片分别出现灼伤时的形位数据；数据处理步骤：根据形位数据，获取高能束焊机的束流空间形态图。实施例中，所述高能束焊机包含以下任一种结构：激光焊机：包含加工头；电子束焊机：包含阴极。也就是说，本发明至少适用于激光焊机与电子束焊机这两类高能束焊机的机束流空间形态的测量，例如气/固/半导体/光纤式激光焊机和中/高真空电子束焊机。后续说明中提到加工头则对应是对激光焊机的测量，而阴极则对应是对电子束焊机的测量。
高能束焊机束流空间形态测量方法还包含以下步骤：校正板预处理步骤：对校正板进行表面处理；校正板安装步骤：将校正板置于高能束焊机内的待焊平台上，令校正板的上表面高度与待焊平台的卡盘的中心相同，并用量具保证校正板上表面的水平度；图像清晰调节步骤：移动加工头或阴极，将监视屏幕中的叉线中心对准校正板的一角；调整加工头或摄像头的位置，确保监视屏幕中的校正板图像最清晰。其中，激光焊机调整方式为上下移动加工头，电子束焊机调整方式为上下变焦摄像头，最终须达成监视屏幕图像最清晰的目的。
所述焦点校正步骤包含以下任一步骤：激光焊机焦点校正步骤：移动加工头，在校正板上加工焊点，找出多个焊点中直径最小点，并使加工头运动至加工该直径最小点时所处的位置；电子束焊机焦点校正步骤：一边输出焊接束流一边增减聚焦束流，待监视屏幕中反射光斑面积最大时停止输出焊接束流，记录此时的聚焦束流值。也就是说，对于激光焊机，须编制用以校正焦点的专属程序，具体编程语言依据焊机型号而定，最终程序可实现的功能如下：输出脉冲波、右移、上抬、循环、下降、对比焊点直径、找出最小点、记录左起序数、加工头特定抬升、摄像头调焦。在一个可行的实施方式中，所述专属程序可实现的功能详情如下：(1)加工头原地输出一个500W、15ms、方形的脉冲波，(2)加工头向右水平移动1.5mm，(3)加工头向上抬升0.5mm，(4)循环上述3步操作19次，(5)加工头下降10mm，(6)取出铝板并对比20个焊点的直径，找出其中最小的点，记下其左起序数A，(7)将加工头抬升(A-1)*0.5mm，(8)调整摄像头的焦点位置，重新使屏幕中的工件图像最清晰。优选地，高能束焊机为激光焊机时，所述校正板为铝板；高能束焊机为电子束焊机时，所述校正板为钨板。进一步优选地，铝板、钨块为方形，厚度一致且不小于4mm，铝板须经阳极氧化处理成黑色，其他材料无须阳极氧化。
试焊调整步骤中，在试焊板上进行试焊，试焊起始点和结束点都处于十字焊缝的交会中心；十字叉线位置的调节过程为：将监视屏幕中的十字叉线与十字焊缝的两条中线进行比对，先解锁十字叉线，再对十字叉线的位置进行移动校正，最后锁定十字叉线。优选地，所述试焊板为方形的不锈钢板。具体地，试焊过程中，取出铝板或钨块并将不锈钢板置于其中，随后编制特定的连续焊程序，设定特定的焊接参数模式，将焊接起始点和结束点置于特定位置，随后对钢板进行试焊。采用的连续焊程序内容为X+Y轴交替画十字，其中直线长度为60mm、焊接速度为30mm/s、激光功率为800W、电子加速电压为35kV、电子聚焦束流为J、电子焊接束流为10mA，焊接起始点和结束点都处于十字焊缝的交会中心。
模拟焊接步骤包含以下步骤：参数设定步骤：对加工头或阴极的行进轨迹与输出参数进行设定；数据记录步骤：将激光头或阴极垂直向外移动设定距离，然后正式下束施焊；焊后观察圆片切点位置是否有灼伤痕迹，若无则将激光头或阴极向圆片靠近设定距离并再次施焊，直至出现灼伤为止，并记录形位数据；圆片叠加采集步骤：增加圆片，重复执行数据记录步骤，直至达到设定次数为止。所述数据记录步骤中，激光头或阴极垂直向外移动距离为S，激光头或阴极每次向圆片靠近的设定距离为s，形位数据包含当前的圆片数量P和焊接次数Q；圆片叠加采集步骤中，增加的圆片放置在前一块圆片的上方，单个圆片的厚度为t。优选地，所述圆片为不锈钢圆片。实际操作中，可先将一片不锈钢圆片置于试焊板上，并按图2所示在程序中设定激光束/电子束的行进轨迹方向，例如，随着加工头的移动，光束行进轨道1变化成光束行进轨道2。对激光束/电子束设定一个适宜的速度值(如30mm/s)和功率值(如2000W)/束流值(如25mA)，随后关闭舱门进行模拟焊接，同时观察检验设备运行时圆片的位置稳定性。在一个可行的实施方案中，垂直向外移动距离为2mm，每次向圆片靠近距离为0.05mm，且最后记录的数据是当前的圆片数量P和焊接次数Q。圆片叠加采集步骤中是在此前的圆片上方放上第二片圆片，对于设定次数的选择，可以在测量初准备特定数量的圆片，当所有圆片放置完毕后即完成测量。当然按照实际需要，还可以按特定方式在特定位置增加圆片。
数据处理步骤中，根据束流当前横截面的高度P*t与束流当前横截面的半径S-Q*s这两个数据，获取高能束焊机的束流空间形态图。高能束焊机束流空间形态测量方法还包含公式拟合步骤：对束流空间形态图进行数学拟合，得到高能束焊机束流的有效曲线公式；高能束焊机束流的有效曲线公式的形式为z＝f(x)，其中x为焊缝与凸台的最小距离，z为凸台的最大高度，f(x)表示关于x的拟合函数，f()表示拟合函数。在公式拟合过程中，x的数值对应为S-Q*s，z的数值对应为P*t。此后在产品的设计过程中，对于某一确定高度的凸台z(或某一确定距离的焊缝x)，可参考拟合曲线以确定焊缝与凸台的最小距离x(或凸台的最大高度z)，从而可提前避免凸台边缘在焊接时发生灼伤的问题。
优选实施方式：
焊机为HL2006D型固体激光焊机，铝材牌号为2A12，钢材牌号为1Cr18Ni9Ti。
本实施方式按以下步骤实现：
S1、设计制造1块100*60*4mm尺寸的铝合金板，并依次对其进行除油(有机物)、碱洗(NaOH液/3min)、清洗(流水)、烘干(80℃/1h)和阳极氧化操作。设计制造1块150*150*4mm尺寸的不锈钢板、12片Φ20*2.5mm尺寸的不锈钢圆片，并依次对其进行除油(有机物)、清洗(流水)和烘干(80℃/1h)操作。
S2、将铝板置于焊机内的待焊平台上，工件的上表面高度与卡盘的中心相同，并用专用量具保证其上表面的水平度。
S3、水平移动加工头的位置，将监视屏幕中的叉线中心对准铝板的左上角。上下调整加工头的位置，确保监视屏幕中的工件图像最清晰。
S4、编制用以校正激光焦点的专属程序，最终程序可实现的功能如下：(1)加工头原地输出一个500W、15ms、方形的脉冲波，(2)加工头向右水平移动1.5mm，(3)加工头向上抬升0.5mm，(4)循环上述3步操作19次，(5)加工头下降10mm，(6)取出铝板并对比20个焊点的直径，找出其中最小的点，记下其左起序数为11，(7)将加工头抬升5.0mm，(8)调整摄像头的焦点位置，重新使屏幕中的工件图像最清晰。
S5、取出铝板并将钢板置于其中，随后在焊机上编制X+Y轴交替画十字的连续焊程序，其中直线长度为60mm、焊接速度为30mm/s、激光功率为800W，焊接起始点和结束点都处于十字焊缝的交会中心，随后对钢板进行试焊。
S6、将监视屏幕中的十字叉线与十字焊缝的两条中线进行比对，先解锁十字叉线，再对叉线的位置进行微移校正，最后锁定十字叉线。
S7、将一片不锈钢圆片置于钢板上，并按图2所示在程序中设定激光束的行进轨迹方向。对激光束设定一个适宜的速度值(如30mm/s)和功率值(如2000W)，随后关闭舱门进行模拟焊接，同时观察检验设备运行时圆片的位置稳定性。
S8、将加工头垂直向外移动2mm，然后正式下束施焊。焊后观察圆片切点位置是否有灼伤痕迹，若无则向圆片靠近0.05mm并再次施焊，直至出现灼伤为止，并按一定的格式进行记录(记录当前的圆片数量1和焊接次数12)。
S9、在此前的圆片上方放上第二片圆片，随后重复S7-S8步骤的实验，直至12片圆片放置完毕。
S10、得到工艺件高度与最小灼伤距离的对应关系表，以此表为基础绘制出HL2006D型固体激光焊机的束流空间形态图，具体实例如图3所示。
S11、对束流空间形态图进行数学拟合，得到HL2006D型固体激光焊机束流的有效曲线公式：z＝-5.7543+32.6558x-36.8693x2+25.9135x3-5.6158x4。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种高能束焊机束流空间形态测量方法，其特征在于，包含以下步骤：
焦点校正步骤：使用校正板对高能束焊机的焦点进行校正；
试焊调整步骤：使用高能束焊机进行试焊获得十字焊缝，根据十字焊缝调节监视屏幕中的十字叉线的位置；
模拟焊接步骤：使用高能束焊机对圆片进行施焊，记录多个圆片分别出现灼伤时的形位数据；
数据处理步骤：根据形位数据，获取高能束焊机的束流空间形态图；
所述高能束焊机包含以下任一种结构：
激光焊机：包含加工头；
电子束焊机：包含阴极；
高能束焊机为激光焊机时，所述校正板为铝板；
高能束焊机为电子束焊机时，所述校正板为钨板；
所述模拟焊接步骤包含以下步骤：
参数设定步骤：对加工头或阴极的行进轨迹与输出参数进行设定；
数据记录步骤：将激光头或阴极垂直向外移动设定距离，然后正式下束施焊；焊后观察圆片切点位置是否有灼伤痕迹，若无则将激光头或阴极向圆片靠近设定距离并再次施焊，直至出现灼伤为止，并记录形位数据；
圆片叠加采集步骤：增加圆片，重复执行数据记录步骤，直至达到设定次数为止；
所述数据记录步骤中，激光头或阴极垂直向外移动距离为S，激光头或阴极每次向圆片靠近的设定距离为s，形位数据包含当前的圆片数量P和焊接次数Q；
圆片叠加采集步骤中，增加的圆片放置在前一块圆片的上方，单个圆片的厚度为t；
数据处理步骤中，根据束流当前横截面的高度P*t与束流当前横截面的半径S-Q*s这两个数据，获取高能束焊机的束流空间形态图。
2.根据权利要求1所述的高能束焊机束流空间形态测量方法，其特征在于，还包含以下步骤：
校正板预处理步骤：对校正板进行表面处理；
校正板安装步骤：将校正板置于高能束焊机内的待焊平台上，令校正板的上表面高度与待焊平台的卡盘的中心相同，并用量具保证校正板上表面的水平度；
图像清晰调节步骤：移动加工头或阴极，将监视屏幕中的叉线中心对准校正板的一角；调整加工头或摄像头的位置，确保监视屏幕中的校正板图像最清晰。
3.根据权利要求1所述的高能束焊机束流空间形态测量方法，其特征在于，所述焦点校正步骤包含以下任一步骤：
激光焊机焦点校正步骤：移动加工头，在校正板上加工焊点，找出多个焊点中直径最小点，并使加工头运动至加工该直径最小点时所处的位置；
电子束焊机焦点校正步骤：一边输出焊接束流一边增减聚焦束流，待监视屏幕中反射光斑面积最大时停止输出焊接束流，记录此时的聚焦束流值。
4.根据权利要求1所述的高能束焊机束流空间形态测量方法，其特征在于，试焊调整步骤中，在试焊板上进行试焊，试焊起始点和结束点都处于十字焊缝的交会中心；
将监视屏幕中的十字叉线与十字焊缝的两条中线进行比对，先解锁十字叉线，再对十字叉线的位置进行移动校正，最后锁定十字叉线。
5.根据权利要求1所述的高能束焊机束流空间形态测量方法，其特征在于，还包含公式拟合步骤：对束流空间形态图进行数学拟合，得到高能束焊机束流的有效曲线公式。
6.根据权利要求3所述的高能束焊机束流空间形态测量方法，其特征在于，当校正板为铝板时，在校正板预处理步骤中，将铝板经阳极氧化处理成黑色。
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