CN114523183B - 一种交变厚度截面的动态调控电子束焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种交变厚度截面的动态调控电子束焊接方法，针对交变厚度的焊接截面，进行焊接位置区域的有效划分，通过不同位置连续聚焦电流的变化调控，建立交变厚度截面焊接聚焦电流变化曲线，沿焊接路径设计动态焊接焦点，可改善动态焊接束斑品质状态，可实现电子束焊接的稳定成形，可提高焊接研究效率，为焊接工艺规范的确定提供技术支撑，并且，基于交变厚度截面的焊接结构及其分区设计，采用连续的电子束束流动态变化调控，获得沿焊接路径变化的热输入能量(束流)曲线，可实现连续热输入能量调控的动态焊接，可改善焊接成形和焊缝组织均匀性，可提高焊接质量，为焊接性能调控提供了技术基础。

Description

一种交变厚度截面的动态调控电子束焊接方法

技术领域

本发明属于交变厚度截面的电子束焊接新方法，适用于电子束焊接自动焊接方法。

背景技术

目前，在生产过程中焊接位置普遍采用等厚度的截面设计，在恒定的焊接工艺参数条件下实现组件间的自动化焊接连接，常用的自动化熔焊方法有电子束焊接、激光焊等方法。这种等厚度截面的焊接方法，具有工艺稳定性好、表面成形质量好、焊缝内部质量高、焊接收缩变形均匀等优点。但在工程实践中，对于高度小于300mm的型腔结构，为了提高结构刚性，内部空腔中多存在筋条、缘条等交变厚度位置，这些位置连接或焊接后难以加工，因此，这些交变厚度位置常采用内腔型面基本加工到位，即保持交变厚度状态，然后通过手工焊接或铆钉/螺栓机械连接方式进行制造，再辅助局部手工打磨处理。机械连接方式需要采用大量的铆钉/螺栓、连接角片，结构增重明显，连接强度低、承受静载低、传递载荷能力差，已经逐渐被焊接连接所取代。总之，对于内腔壁面的筋条、缘条等交变厚度截面位置，手工焊接在工艺和质量控制方面也存在较大难点和问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种交变厚度截面的动态调控电子束焊接方法。

为实现上述目的，本发明提出以下技术方案。

一种交变厚度截面的动态调控电子束焊接方法，包括以下步骤：

步骤1、焊接位置设计步骤，包括：针对待焊接的对接焊接试板的交变厚度焊接截面结构，采用平面对接形式的接头，即在焊接每一个位置均是等厚度截面，沿焊接方向焊接厚度的薄、厚连续交替变化；

步骤2、焊接动态焦点设计步骤，包括：在恒定焊接速度条件下进行连续变化聚焦电流电子束焊接工艺试验；根据束斑状态和成形分析，确定焊接聚焦电流及其理论焦点位置，完成沿焊接路径的焊接动态焦点包络线的设计

步骤3、焊接动态热输入能量规划步骤，包括：针对交变厚度截面，选择不同位置等厚度的平板试件，在恒定焊接速度条件下进行变束流电子束焊接工艺试验；基于焊缝成形分析，沿焊接路径确定动态热输入能量变化，得到热输入能量变化包络线；

步骤4、交变厚度截面电子束焊接步骤，具体包括：在试板两端，采用厚度不低于起始和结束位置的引束流块和收束流块，依据所述焊接动态焦点包络线、热输入能量变化包络线，设计引、收束流区域焦点和能量控制，在不同区域位置设定聚焦电流和焊接束流进行电子束焊接；依据焊缝表面成形，调控聚焦电流和焊接束流，形成典型的电子束焊接工艺规范参数。

进一步，该方法还包括：

步骤5、电子束焊接成形质量分析步骤，包括：针对焊后交变厚度截面焊缝，采用目视外观检查和X射线内部质量探伤检测；根据焊接缺陷情况，进行焊接工艺参数优化，直至获得满足质量要求的焊缝。

进一步，步骤2具体包括：

步骤2.1、沿焊接方向路径，将交变厚度截面划分为不同分区；

步骤2.2、在每个分区内分别测量焊接截面厚度；

步骤2.3、根据整体焊接截面上表面的工作距离，选取与单一厚度截面分区代表的分区截面厚度相同的平板试件，进行电子束焊接工艺试验；

步骤2.4、针对厚度连续变化的分区，每个分区分别选取最小、最大厚度的平板试件进行电子束焊接工艺试验；

步骤2.5、通过工艺试验研究，沿焊接路径设计和建立交变厚度截面焊接动态焦点包络线。

进一步，步骤3具体包括：

步骤3.1、根据每个分区内的厚度，进行电子束焊接工艺试验；

步骤3.2、基于焊缝成形分析，确定单一厚度截面分区的电子束焊接束流及热输入能量；

步骤3.3、针对厚度连续变化的分区，每个分区分别选取最小、最大厚度的等厚度平板试件进行电子束焊接工艺试验，确定每个分区最小、最大厚度位置对应的焊接束流范围及热输入能量范围；

步骤3.4、通过工艺试验研究，沿焊接路径设计和建立交变厚度截面动态焊接束流、热输入能量变化包络线。

本发明的有益效果如下：

(1)针对交变厚度的焊接截面，进行焊接位置区域的有效划分，通过不同位置连续聚焦电流的变化调控，建立交变厚度截面焊接聚焦电流变化曲线，沿焊接路径设计动态焊接焦点，可改善动态焊接束斑品质状态，可实现电子束焊接的稳定成形，可提高焊接研究效率，为焊接工艺规范的确定提供技术支撑。

(2)基于交变厚度截面的焊接结构及其分区设计，采用连续的电子束束流动态变化调控，获得沿焊接路径变化的热输入能量(束流)曲线，可实现连续热输入能量调控的动态焊接，可改善焊接成形和焊缝组织均匀性，可提高焊接质量，为焊接性能调控提供了技术基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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是四种形式交变厚度焊接截面的示意图；

图2是氩弧焊焊接坡口形式示意图；

图3是焊接截面对接示意图；

图4是焊接截面示意图；

图5是焊接截面厚度分区示意；

图6是交变厚度截面焊接焦点包络线示意图；

图7是交变厚度截面焊接动态热输入能量包络线示意图；

图8是交变厚度截面焊接动态热输入能量包络线示意图；

图9是交变厚度焊接截面试板一的结构示意图；

图10是试板一进行电子束焊接工艺试验形成的焊接动态焦点包络线；

图11是试板一进行电子束焊接工艺试验形成的焊接动态能量变化包络线；

图12是试板一在进行电子束焊接中的典型焦点变化及束流变化工艺规范；

图13是交变厚度焊接截面试板二的结构示意图；

图14是试板二进行电子束焊接工艺试验形成的焊接动态焦点包络线；

图15是试板二进行电子束焊接工艺试验形成的焊接动态能量变化包络线；

图16是试板二在进行电子束焊接中的典型焦点变化及束流变化工艺规范。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

在工程实践中涉及到的典型内腔交变厚度焊接截面单元结构，一般截面最小厚度不超过12mm、最大厚度不超过30mm，如图1所示。其中形式一的截面局部最大厚度恒定，形式二与形式三的截面局部最大厚度不等，以及形式四截面局部最大厚度逐渐增加/减小等。采用手工氩弧焊焊接，需要分别在最小厚度、最大厚度截面位置制备焊接坡口，如图2，通过逐层填丝熔焊的方式进行焊接。

对于这种交变厚截面结构，手工氩弧焊主要难点和问题：

1)薄壁与厚壁位置统一的坡口形式设计难度大，采用渐变的坡口设计或分区域坡口设计，坡口的加工制造较难；

2)考虑不同厚度位置装配形位关系，焊接夹具设计难；刚性装配及其装配精度控制难度大，易造成手工焊接过程中间隙超差及错边等缺陷；

3)手工氩弧焊需进行分段参数规划，焊缝表面成形的均匀性控制难度大；

4)手工焊接速度慢，不同位置热输入能量综合调控难度大，焊接变形大；

5)交变厚度截面位置采用不同的焊接规范参数及热输入能量，手工焊接气孔缺陷控制难。

本发明提出了一种交变厚度截面的电子束焊接方法，无需开坡口，焊接位置设计为平直面对接的形式；在恒定焊接速度条件下，分区域连续自动变化聚焦电流及焊接束流参数，即沿焊接方向采用动态焦点和动态热输入能量焊接，实现交变厚度截面的一次焊接焊缝成形，解决焊接位置坡口设计、加工难题，消除焊接错边缺陷，提高焊缝表面成形的均匀性，减少焊接气孔内部缺陷，降低焊接变形，为交变厚度截面结构的焊接提供一种新方法。

以图1交变厚度截面的结构形式一、形式四为例，设计制备焊接试板，最小厚度不超过12mm、最大厚度不超过30mm，具体方案如下：

(1)焊接位置设计

针对交变厚度焊接截面结构，不加工焊接坡口，采用平面对接形式的接头，如图3所示，其中1、3分别为将要焊接的对接焊接试板，2为交变厚度焊接位置(焊缝)，4为交变厚度的截面。即在焊接每一个位置均是等厚度截面，沿焊接方向焊接厚度的薄、厚连续交替变化。

(2)焊接动态焦点设计

以交变厚度焊接截面(图1)的形式一和形式四为例，在恒定焊接速度条件下进行连续变化聚焦电流电子束焊接工艺试验；根据束斑状态和成形分析，确定焊接聚焦电流及其理论焦点位置，完成沿焊接路径的焊接动态焦点设计。具体方案如下：

S1、沿焊接方向路径，将交变厚度截面划分为不同分区；

具体的，如图5所示，其中5～12分别代表不同的厚度截面分区；根据交变厚度焊接截面情况，可扩展到n个分区。

S2、在每个分区内分别测量焊接截面厚度；

具体的，两端的单一厚度截面分区5、12分区代表的分区厚度标记为δ₅、δ₁₂，对于厚度连续变化的6～11分区代表的分区厚度标记为δ_5→6、δ_6→7、δ_7→8、δ_8→9、δ_9→10、δ_11→12，可扩展到n分区代表的厚度δ_n-1→n。

S3、根据整体焊接截面上表面的工作距离，选取与单一界面厚度分区5、12代表的分区截面厚度相同的平板试件，进行电子束焊接工艺试验；

具体的，根据表面斑点状态及焊接表面成形状态，确定理论焊接焦点位置5′、12′，分别以聚焦电流I_f5、I_f12的大小表示焦点状态。

S4、针对厚度连续变化的6～11分区，每个分区分别选取最小、最大厚度的平板试件进行电子束焊接工艺试验。

具体的，基于焊接表面成形，确定第n分区最小/最大厚度位置的理论焊接焦点位置(n-1′、n′)，也以每个分区聚焦电流I_fn-1～I_fn的大小表示焦点状态。6～11分区的理论焊接焦点位置具体如下：6分区、7分区、8分区、9分区、10分区及11分区分别对应焦点位置范围(5′、6′)、(6′、7′)、(7′、8′)、(8′、9′)、(9′、10′)及(10′、11′)，其对应的焦点状态分别以聚焦电流I_f5～I_f6、I_f6～I_f7、I_f7～I_f8、I_f8～I_f9、I_f9～I_f10、I_f10～I_f11等标识。

S5、通过工艺试验研究，沿焊接路径设计和建立交变厚度截面焊接动态焦点包络线。

具体的，如图6所示，其中13为电子束束流示意，14为聚焦电流包络线。

(3)焊接动态热输入能量规划

针对交变厚度截面，选择不同位置等厚度的平板试件，在恒定焊接速度条件下进行变束流电子束焊接工艺试验；基于焊缝成形分析，沿焊接路径确定动态热输入能量变化，得到热输入能量变化包络线。具体方案如下：

S1、按照图5所示进行截面分区，根据每个分区内的厚度，进行电子束焊接工艺试验。

S2、基于焊缝成形分析，确定单一厚度截面分区的电子束焊接束流及热输入能量；

具体的，确定单一厚度截面分区5、12的电子束焊接束流I_b5、I_b12；依据热输入q＝U_a*I_b/V公式，计算分区5、12的热输入能量q₅、q₁₂。

针对6～11分区，每个分区分别选取最小、最大厚度的等厚度平板试件进行电子束焊接工艺试验，确定每个分区最小/最大厚度位置对应的焊接束流范围I_b5～I_b6、I_b6～I_b7、I_b7～I_b8、I_b8～I_b9、I_b9～I_b10、I_b10～I_b11，热输入能量范围分别对应q₅～q₆、q₆～q₇、q₇～q₈、q₈～q₉、q₉～q₁₀、q₁₀～q₁₁。可扩展到多个分区，其中厚度过渡的第n分区，焊接束流、热输入能量范围可分别对应I_bn-1～I_bn、q _n-1～q_n。通过工艺试验研究，沿焊接路径设计和建立交变厚度截面动态焊接束流、热输入能量变化包络线，如图7所示。

(4)交变厚度截面电子束焊接

在试板两端，采用厚度不低于起始和结束位置的引束流块17和收束流块18，尺寸不小于50mm×40mm。依据图6、7的焊接动态焦点包络线14、热输入能量包络线15，设计引/收束流区域焦点和能量控制，在不同区域位置设定聚焦电流和焊接束流进行电子束焊接；依据焊缝表面成形，调控聚焦电流和焊接束流，形成典型的电子束焊接工艺规范参数，如图8所示，即聚焦电流曲线19和焊接束流曲线20，获得表面成形良好的焊缝。

(5)电子束焊接成形质量分析

针对焊后交变厚度截面焊缝，采用目视外观检查和X射线内部质量探伤检测；根据焊接缺陷情况，进行焊接工艺参数优化，主要调控聚焦电流曲线19和焊接束流曲线20，直至获得满足质量要求的焊缝。

下面分别以最小厚度3mm、最大厚度20mm及总长度250mm的不锈钢交变厚度截面两种试板为实施例，如图9、10所示，引/收束流块尺寸为50mm×40mm×3mm。

实施例1：以图9交变厚度试板为例其具体实现过程为：

(1)焊接位置及接头形式设计：无需加工焊接坡口，如图3和4所示，采用平直截面的对接接头形式试板1和3，焊接截面和焊接路径如图9，焊后对应焊缝2位置。

(2)电子束焊接动态焦点设计：依据图5进行焊接分区划分，分为5～12等8个区，其中5、12区为等厚度分区，6～11区为交变厚度区。设定工作距离300mm，选取焊接速度900mm/min，采用3～20mm的不同厚度不锈钢平板试件进行电子束焊接试验，如3mm、10mm、20mm等厚度平板；通过工艺试验研究，沿焊接路径建立了交变厚度截面聚焦电流变化的动态焊接焦点曲线，如图10所示。

(3)电子束焊接动态热输入能量规划：基于动态焦点曲线，针对交变厚度的5～12等8个区(图5)，选取3～20mm不同厚度的不锈钢平板试件进行电子束焊接试验；调控焊接束流等热输入能量参数，分别实现单一厚度平板焊接双面成形，建立了交变厚度截面动态焊接束流、热输入能量变化曲线，如图11所示。

(4)交变厚度截面电子束焊接：依据图10、11的焊接动态焦点曲线14、热输入能量曲线15，在不同区域位置设定聚焦电流和焊接束流，设计引/收束流区域焦点及能量控制，编辑自动焊接程序，调控聚焦电流和焊接束流进行电子束焊接，如图12所示，获得典型的动态焦点、动态束流的焊接工艺规范，实现焊缝表面成形。

(5)电子束焊接质量分析：目视观察焊后交变厚度截面焊缝成形，采用X射线探伤检测内部质量；焊接焊缝质量满足HB7608标准Ⅰ级。

实施例2：以图13交变厚度试板为例其具体实现过程为：

(1)焊接位置及接头形式设计：无需加工焊接坡口，如图3和4所示，采用平直截面的对接接头形式试板1和3。

(2)电子束焊接动态焦点设计：依据图5进行焊接分区划分，分为5～12等8个区，其中5、12区为等厚度分区，6～11区为交变厚度区。设定工作距离300mm，选取焊接速度900mm/min，采用3～20mm的不同厚度不锈钢平板试件进行电子束焊接试验，如3mm、5mm、8mm、10mm、15mm、20mm等厚度平板；通过工艺试验研究，沿焊接路径建立了交变厚度截面聚焦电流变化的动态焊接焦点曲线，如图14所示。

(3)电子束焊接动态热输入能量规划：基于动态焦点曲线，针对交变厚度的5～12等8个区(图5)，选取3～20mm不同厚度的不锈钢平板试件进行电子束焊接试验；调控焊接束流等热输入能量参数，分别实现单一厚度平板焊接双面成形，建立了交变厚度截面动态焊接束流、热输入能量变化曲线，如图15所示。

(4)交变厚度截面电子束焊接：依据图14、图15的焊接动态焦点曲线14、热输入能量曲线15，在不同区域位置设定聚焦电流和焊接束流，设计引/收束流区域焦点及能量控制，编辑自动焊接程序，调控聚焦电流和焊接束流进行电子束焊接，如图16所示，获得典型的动态焦点19、动态束流20的焊接工艺规范，实现焊缝表面成形。

(5)电子束焊接质量分析：目视观察焊后交变厚度截面焊缝成形，采用X射线探伤检测内部质量；焊接焊缝质量满足HB7608标准Ⅰ级。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (2)

1.一种交变厚度截面的动态调控电子束焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、焊接位置设计步骤，包括：针对待焊接的对接焊接试板的交变厚度焊接截面结构，采用平面对接形式的接头，即在焊接每一个位置均是等厚度截面，沿焊接方向焊接厚度的薄、厚连续交替变化；

步骤2、焊接动态焦点设计步骤，包括：在恒定焊接速度条件下进行连续变化聚焦电流电子束焊接工艺试验；根据束斑状态和成形分析，确定焊接聚焦电流及其理论焦点位置，完成沿焊接路径的焊接动态焦点包络线的设计；

步骤3、焊接动态热输入能量规划步骤，包括：针对交变厚度截面，选择不同位置等厚度的平板试件，在恒定焊接速度条件下进行变束流电子束焊接工艺试验；基于焊缝成形分析，沿焊接路径确定动态热输入能量变化，得到热输入能量变化包络线；

步骤4、交变厚度截面电子束焊接步骤，具体包括：在试板两端，采用厚度不低于起始和结束位置的引束流块和收束流块，依据所述焊接动态焦点包络线、热输入能量变化包络线，设计引、收束流区域焦点和能量控制，在不同区域位置设定聚焦电流和焊接束流进行电子束焊接；依据焊缝表面成形，调控聚焦电流和焊接束流，形成典型的电子束焊接工艺规范参数；

步骤2具体包括：

步骤2.1、沿焊接方向路径，将交变厚度截面划分为不同分区；

步骤2.2、在每个分区内分别测量焊接截面厚度；

步骤2.3、根据整体焊接截面上表面的工作距离，选取与单一厚度截面分区代表的分区截面厚度相同的平板试件，进行电子束焊接工艺试验；

步骤2.4、针对厚度连续变化的分区，每个分区分别选取最小、最大厚度的平板试件进行电子束焊接工艺试验；

步骤2.5、通过工艺试验研究，沿焊接路径设计和建立交变厚度截面焊接动态焦点包络线；

步骤3具体包括：

步骤3.1、根据每个分区内的厚度，进行电子束焊接工艺试验；

步骤3.2、基于焊缝成形分析，确定单一厚度截面分区的电子束焊接束流及热输入能量；

步骤3.3、针对厚度连续变化的分区，每个分区分别选取最小、最大厚度的等厚度平板试件进行电子束焊接工艺试验，确定每个分区最小、最大厚度位置对应的焊接束流范围及热输入能量范围；

步骤3.4、通过工艺试验研究，沿焊接路径设计和建立交变厚度截面动态焊接束流、热输入能量变化包络线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

步骤5、电子束焊接成形质量分析步骤，包括：针对焊后交变厚度截面焊缝，采用目视外观检查和X射线内部质量探伤检测；根据焊接缺陷情况，进行焊接工艺参数优化，直至获得满足质量要求的焊缝。

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