CN115255595B - 一种双层板结构的电子束焊接聚焦电流确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双层板结构的电子束焊接聚焦电流确定方法，该方法包括：以型面夹角的半角作为待焊试板的焊接角；采用定点瞬时电子束扫描试验方法，提出以束斑可视化观察和测量为手段的聚焦电流调控方法，获得不同型面位置的静态聚焦电流变化趋势；根据“舌形”板结构特点和静态聚焦参数，提出了可视化焊接区域，调控焊接线能量实现双层型面的熔透成形，提出了电子束焊接动态聚焦电流确认方法，提高了焊接工艺研究的效率，减少了试验次数，解决了聚焦电流与束流优化匹配调控难题，从而提高了双层板结构焊接成形质量和焊缝内部质量。

Description

一种双层板结构的电子束焊接聚焦电流确定方法
技术领域
本发明属于电子束焊接、激光焊等自动焊接技术领域，涉及电子束焊接参数确认方法，尤其是涉及一种双层板结构的电子束焊接聚焦电流确定方法。
背景技术
随着航空、航天领域结构轻量化、整体化的精密制造需求，焊接领域面临着双层壁面/双层板结构的一次焊接成形的难题，而常规的分次、等厚度截面焊接方法无法解决双层板结构的焊接成形、焊接缺陷及焊接变形等问题。
常规的熔焊方法主要面对规则的、等厚度的焊接截面结构，由于电子束焊接能量密度高、热输入低、焊接热影响小、焊接质量高等优点，被广泛应用于航空、航天、兵器、电子、船舶行业的精密零件结构的焊接制造。但对于双层壁面/双层板结构，由于两层壁面之间相互遮挡，无法观察到束流与第二层板的作用状态，无法完全获得电子束焊接束斑状态。因此，双层板结构常规电子束焊接存在束流参数调控的难题，特别是聚焦电流参数；而调控并获得上下层板的束流聚焦状态，是影响双层板结构焊缝成形质量的技术关键。
发明内容
本发明主要针对以上问题，提出了一种双层板结构的电子束焊接聚焦电流确定方法，其目的是实现双层板型面的一次性同步焊接成形。
为实现上述目的，本发明提供了一种双层板结构的电子束焊接聚焦电流确定方法，包括以下步骤：
S01：以型面夹角的半角作为待焊试板的焊接角，按照所述焊接角对所述待焊试板进行焊前装配；
S02：以完成所述焊前装配的所述待焊试板的上层板边缘线为中心，进行定点瞬时扫描试验，通过调控聚焦电流，使上下层板形成大致呈等径的圆环斑束，并使上下层板束流呈对称分布、上下层板的束斑形貌趋于一致、且不完全熔透待焊试板，以获得在试验路径上不同位置的最终静态聚焦电流；
S03：在距待焊试板的上层板边缘线位置一段距离设置可视化焊接区；
S04：在所述可视化焊接区，以上述获得的最终静态聚焦电流进行焊接电流调控试验，使上层板焊缝、下层板焊缝完全熔透成型，通过试验获得不同位置的焊接电流参数；
S05：以所获得的焊接电流参数为基准，在所述可视化焊接区域再次进行焊接试验，通过进一步调控聚焦电流参数，使上下层板电子束束斑、焊缝形貌趋于一致，获得不同位置的动态焊接聚焦电流，将所述动态焊接聚焦电流作为确定的电子束焊接聚焦电流。
进一步地，在步骤S05中，将所述动态焊接聚焦电流作为确定的电子束焊接聚焦电流之后，还包括：在待焊试板远离上层板边缘的不可视区域，采用选取的电压、速度及确定的焊接电流、动态聚焦电流参数，进行焊接验证试验。
进一步地，在所述焊接验证试验中，对动态焊接聚焦电流进行微调，以在相同截面位置的上、下层焊缝宽度偏差不大于±1mm，焊缝内部质量满足标准，以该微调后的动态焊接聚焦电流作为最终确定的焊接聚焦电流。
进一步地，还包括初始聚焦电流的获取，以该初始聚焦电流为基准，在步骤S02中采用大束流的方式进行定点瞬时扫描试验完成步骤S02中的操作；其中，所述初始聚焦电流的获取包括：
以待焊试板的上层板边缘线为中心，采用小束流进行定点瞬时扫描试验，以在上层板、下层板上形成近似呈半圆形圆环的束斑轨迹，选取不少于三个点位进行聚焦电流的调控，使上下层板束斑轨迹合拢形成大致呈等径的圆环束斑，以获得不同位置的初始聚焦电流。
进一步地，获取初始聚焦电流所进行定点瞬时扫描试验的参数为：采用1～2mA的小束流、设置2mm以上辐值的圆波形；获取最终静态聚焦电流所进行的顶点瞬时扫描试验的参数为：采用5～10mA大束流、2mm以上辐值的圆波形。
进一步地，在步骤S02中，使上下层板形成大致呈等径的圆环斑束，并使上下层板束流呈对称分布、上下层板的束斑形貌趋于一致、且不完全熔透待焊试板的确定方式包括：通过CCD图像观察和测量分析上、下层板扫描束斑轨迹直径，若尺寸偏差大于±1mm，再次进行试验调控聚焦电流直至满足偏差不大于±1mm。
进一步地，在步骤S03中，所述可视化焊接区为距离上层板边缘横向10～50mm的区域。
进一步地，在步骤S05中，使上下层板电子束束斑、焊缝形貌趋于一致的确定方式包括：测量上、下层板焊缝的宽度，在尺寸偏差满足不大于±1mm条件下，确定动态焊接聚焦电流；否则，继续进行动态聚焦电流的调控试验。
进一步地，试验所采用的待焊试板结构为上层板窄、下层板宽的舌形板。
本发明的上述技术方案具有如下优点：提出以型面夹角的半角作为焊接角度的装配方法，不仅增加了束流束斑的可视化范围，而且有利于上/下层板热输入能量参数的对称调控，为电子束焊接聚焦电流的调控提供了基础条件；采用定点瞬时电子束扫描试验方法，提出以束斑可视化观察和测量为手段的聚焦电流调控方法，获得不同型面位置的静态聚焦电流变化趋势；根据静态聚焦参数，提出了可视化焊接区域，调控焊接线能量实现双层型面的熔透成形，最终得到电子束焊接动态聚焦电流的确认，提高了焊接工艺研究的效率，减少了试验次数，解决了聚焦电流与束流优化匹配调控难题，从而提高了双层板结构焊接成形质量和焊缝内部质量，为双层板/多层板结构提供一种新电子束焊接参数确定方法。
附图说明
图1为本发明实施例披露的第一种双层板焊接截面剖视结构示意图。
图2为本发明实施例披露的第二种双层板焊接截面剖视结构示意图。
图3为本发明实施例披露的第一种双层试板对接结构示意图。
图4为本发明实施例披露的第二种双层试板对接结构示意图。
图5为本发明实施例披露的第一种“舌形”板试验立体结构示意图。
图6为图5中的第一种“舌形”板试验俯视结构示意图。
图7为本发明实施例披露的第二种“舌形”板试验立体结构示意图。
图8为本发明实施例披露的一种电子束束流调控结构示意图。
图9为本发明实施例披露的静态聚焦定点瞬时扫描试验立体结构示意图。
图10为图9中的静态聚焦定点瞬时扫描试验俯视结构示意图。
图11为本发明实施例披露的可视化焊接区域及焊接成型立体结构示意图。
图12为图11中的可视化焊接区域及焊接成型俯视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在图1-12中示出了总体用1和2表示层板，在本文中也将位于上层的层板称为上层板1，位于下层的层板称为下层板2，上层板1和下层板2结合的整体又称之为双层板或双层试板；在本文中，在上层板1和下层板2的上下文中使用的术语“板”被理解为具有厚度均为δ的上层板1和下层板2，然而，值得注意的是，对厚度均为δ的限制仅是为了更好地说明本发明，并不构成对本发明的限定。
在航空航天领域涉及到两双层板或两双层试板4、5结构的对接，图3、图4为双层试板4、5的对接焊接示意图，两双层试板4、5的交合位为焊接截面3，即焊缝位置。对于这种双层试板结构，常规的电子束焊接会出现以下难点和问题：
1)由于上层板1的遮挡，下层板2焊接束斑无法观察，无法获取其束流状态；
2)仅根据上层板1束斑及束流状态，无法进行双层型面的聚焦电流优化调控，无法确定聚焦电流参数；
3)仅依据上层板1聚焦状态，无法进行双层型面焊接束流参数优化调控；
4)由于束流聚焦和束斑形态视觉观察的可视性差、图像显示性差，下层板2焊接基本属于背部隐藏状态，不利于参数优化调整及确认。
本发明提出了一种双层板结构的电子束焊接聚焦电流确定方法：即设计了上层板1窄、下层板2宽的“舌形”双层板试验结构，值得注意的是，用上层板1窄、下层板2宽的“舌形”双层板用作试验结构是为了能够让下层板2实现可视化，因此，可以理解的是，图1-12所示的实例是说明性的而不是限制性的。
以双层板结构焊接为例，上下层板、过渡区厚度δ均不超过10mm。具体焊接方案如下：
依据图2双层板结构，设计的试验结构如图5-图7所示，下层板2保持原宽度状态，上层板1宽度缩短设计成“舌形”，整体结构简称为“舌形”板。通过这种结构设计，预期在靠近上层板1宽度边缘附近焊接时可观察到其束流和束斑状态。
具体的，包括以下步骤：
S01：以型面夹角的半角作为待焊试板的焊接角，按照所述焊接角对所述待焊试板进行焊前装配；
S02：以完成所述焊前装配的所述待焊试板的上层板边缘线为中心，进行定点瞬时扫描试验，通过调控聚焦电流，使上下层板形成大致呈等径的圆环斑束，并使上下层板束流呈对称分布、上下层板的束斑形貌趋于一致、且不完全熔透待焊试板，以获得在试验路径上不同位置的最终静态聚焦电流；
S03：在距待焊试板的上层板边缘线位置一段距离设置可视化焊接区；
S04：在所述可视化焊接区，以上述获得的最终静态聚焦电流进行焊接电流调控试验，使上层板焊缝、下层板焊缝完全熔透成型，通过试验获得不同位置的焊接电流参数；
S05：以所获得的焊接电流参数为基准，在所述可视化焊接区域再次进行焊接试验，通过进一步调控聚焦电流参数，使上下层板电子束束斑、焊缝形貌趋于一致，获得不同位置的动态焊接聚焦电流，将所述动态焊接聚焦电流作为确定的电子束焊接聚焦电流。
在上述实施例中，提供了双层板结构的电子束焊接聚焦电流确定方法，为了提高下层板2束流束斑的可视化范围，将焊接角度设计为1/2α°，其中α°为双层板型面夹角，即型面夹角的角分线在水平位置，当上下层板相互垂直时焊接角度设计为45°。按照上述焊接角度完成试验用“舌形”板的焊接装配，不仅增加了电子束束流束斑的可视化范围，而且有利于热输入能量参数的对称施加调控。以双层板型面中剖面为中心，如图8所示，预期实现聚焦电子束束流6、束斑7形态在上、下层板的对称分布。
为了便于观察电子束聚焦束斑形貌，以“舌形”板的上层板1边缘为中心，采用1～2mA的小束流、设置2mm以上辐值的圆波形进行定点瞬时扫描试验，不熔透试板如图9、图10所示。在上层板1、下层板2上形成近似半圆形圆环的束斑轨迹8、9，调控聚焦电流使上、下层板束斑轨迹8、9合拢形成等径的圆环束斑。根据双层板的长度和高度位置变化，选取不少于3个点位进行聚焦调控，获得不同位置的初始聚焦电流If01、If02、If03........。
以初始聚焦电流为基准，采用5～10mA大束流、2mm以上辐值的圆波形再次进行定点瞬时扫描试验。调控聚焦电流使上、下层板束斑轨迹再次形成等径的圆环束斑，不完全熔透试板，获得不同位置的静态聚焦电流If11、If12、If13........。针对电子束扫描圆形轨迹，通过CCD图像观察和测量分析上、下层板扫描束斑轨迹8、9直径，若尺寸偏差大于±1mm，再次进行试验调控聚焦电流直至满足偏差不大于±1mm。最终通过静态聚焦调控实现上下层板束流呈对称分布，束斑形貌趋于一致，以获得在试验路径上不同位置的最终静态聚焦电流。
本实施例中，预先采用小束流的试焊工艺，粗调焊接工艺参数，得到大概的聚焦电流，然后再次进行试焊调整，直至确定出合适的最终静态聚焦电流。
如图11、图12所示，根据“舌形”板的结构特点和焊接角度，提出可视化的焊接区域10，即在距离上层板1边缘横向10～50mm的区域，可同时观察上、下层板的焊接束斑情况。在焊接区域10，选取120～150kV电压Ua，在不低于600mm/min的焊接速度v下，依据不同位置的静态聚焦电流进行焊接电流Ib的调控试验。通过试验获得不同位置的焊接电流Ib变化，实现上层板焊缝11、下层板焊缝12的完全熔透成形，通过试验获得不同位置的焊接电流参数。
依据所获的焊接电流参数，在焊接区域10再次进行焊接试验，观察上层板焊缝11、下层板焊缝12的束斑状态，进一步调控聚焦电流参数，获得不同位置的动态焊接聚焦电流If1、If2、If3........，使上、下层板电子束束斑、焊缝形貌趋于一致。焊后测量上焊缝11、下层板焊缝12的宽度，在尺寸偏差满足不大于±1mm条件下，确定动态焊接聚焦电流为If1→If2→If3.........→Ifn，n为型面上规划设计的焊接末点。否则，继续进行动态聚焦电流的调控试验。
在一种优选示例中，在“舌形”板远离上层板1边缘的不可视区域，采用选取的电压、速度及确定的焊接电流、动态聚焦电流等参数，进行焊接成形及焊接质量的验证试验。焊接中可进行动态聚焦电流的微调，满足相同截面位置的上、下层焊缝宽度偏差不大于±1mm，焊缝内部质量满足Ⅰ级标准，最终确认双层板结构的焊接聚焦电流；在航空领域，规定了TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA7、TA12、TA15、TB5、TB6、TB8、TC1、TC2、TC3、TC4、TC4-DT、TC6、TC11、TC17、TC18、TC21等钛及钛合金的真空电子束焊接及质量检验的一般要求，其中，上述实施例所述的焊缝内部质量满足I级标准，为在HB/Z 198钛及钛合金电子束焊接工艺及质量检验的标准规定中。
下面将结合具体示例来对本发明的一种双层板结构的电子束焊接聚焦电流确定方法进行详细说明。
实施例：以图3、图4形式一双层板结构焊接为例，具体焊接实施过程如下：
(1)试验结构设计：采用不锈钢材料制备双层模拟试板，如图3形式一，上下层板厚度δ均为6mm，型面夹角10°，下层板2宽度300mm、上层板1(舌形区)宽度200mm，上下层板长度200mm。
(2)焊接角度装配：将焊接角度设计为5°，按5°焊接角度完成试板装配。
(3)静态聚焦电流调控：以上层板1边缘线为中心，设置辐值3mm的圆波形，采用1.5mA束流进行定点瞬时扫描试验。选取上层板1边缘线的起始、中部、末端3个典型位置调控聚焦电流进行扫描试验，分别在上、下层板形成6～8mm等直径的半圆环斑点，使上下层半圆环斑点趋于重合，获得焊接路径的初始聚焦电流2210～2230mA。在上层板边缘线位置采用8mA束流、辐值3mm的圆波形再次定点瞬时扫描试验，调控聚焦电流在上、下层板上形成相互趋于重合的6～10mm半圆形斑点；通过CCD图像观察和圆形扫描斑点测量，直至上、下层板半圆斑点直径尺寸偏差小于±1mm，确定静态聚焦电流2215～2235mA。
(4)焊接线能量调控：在距上层板边缘10～50mm的可视化焊接区域，选取电压150kV、焊接速度1200mm/min，依据静态聚焦进行电子束焊接。调控焊接电流实现上、下层板焊缝完全熔透成形，获得焊接电流范围70～80mA。
(5)动态聚焦电流确认：在可视化焊接区，采用电流75mA及(4)相关的参数进行焊接成形试验，进一步调控静态聚焦电流。通过观察和测量，使上、下层板不同位置束斑、焊缝形貌趋于一致，焊缝宽度偏差满足±1mm，最终确定聚焦电流2210～2240mA。
(6)焊接成形及质量验证：在试板不可视区域，采用(5)确定的参数，进行焊接成形及焊接质量的验证试验，焊缝成形及内部质量均满足Ⅰ级标准。
从以上的描述中，可以看出，本发明实施例实现了如下技术效果：提供了一种双层板结构的电子束焊接聚焦电流确定方法，采用上层板1窄、下层板2宽的“舌形”板试验结构，提出以型面夹角的半角作为焊接角度的装配方法，不仅增加了下层板2电子束束斑的可视化范围，而且有利于上、下层板热输入能量的对称调控，解决了试验中下层板2焊接束斑可视化差的难题，为双层板结构焊接聚焦电流的优化调控提供了基础条件。采用定点瞬时电子束扫描试验方法，提出以束斑可视化观察和测量为手段的聚焦电流调控方法，获得不同型面位置的静态聚焦电流，满足上、下层板束斑尺寸偏差的调控要求，为双层板结构焊接提供了基本的聚焦电流参数。根据“舌形”板的结构特点和静态聚焦参数，提出了可视化焊接区域，采用可实现上、下层板熔透成形的焊接线能量调控方法，提出了电子束焊接动态聚焦电流确认方法，可快速、直观、精确的确定双层板结构焊接工艺参数及规范，提高了焊接工艺研究效率，减少了试验次数，解决了聚焦电流与焊接束流匹配调控的难题，从而提高了焊接成形质量和焊缝内部质量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种双层板结构的电子束焊接聚焦电流确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：以型面夹角的半角作为待焊试板的焊接角，按照所述焊接角对所述待焊试板进行焊前装配；
S02：以完成所述焊前装配的所述待焊试板的上层板边缘线为中心，进行定点瞬时扫描试验，通过调控聚焦电流，使上下层板形成大致呈等径的圆环斑束，并使上下层板束流呈对称分布、上下层板的束斑形貌趋于一致、且不完全熔透待焊试板，以获得在试验路径上不同位置的最终静态聚焦电流；
S03：在距所述待焊试板的上层板边缘线位置一段距离设置可视化焊接区；
S04：在所述可视化焊接区，以上述获得的最终静态聚焦电流进行焊接电流调控试验，使上层板焊缝、下层板焊缝完全熔透成型，通过试验获得不同位置的焊接电流参数；
S05：以所获得的焊接电流参数为基准，在所述可视化焊接区再次进行焊接试验，通过进一步调控聚焦电流参数，使上下层板电子束束斑、焊缝形貌趋于一致，获得不同位置的动态焊接聚焦电流，将所述动态焊接聚焦电流作为确定的电子束焊接聚焦电流；
还包括初始聚焦电流的获取，以该初始聚焦电流为基准，在步骤S02中采用大束流的方式进行定点瞬时扫描试验完成步骤S02中的操作；其中，所述初始聚焦电流的获取包括；
以待焊试板的上层板边缘线为中心，采用小束流进行定点瞬时扫描试验，以在上层板、下层板上形成近似呈半圆形圆环的束斑轨迹，选取不少于三个点位进行聚焦电流的调控，使上下层板束斑轨迹合拢形成大致呈等径的圆环束斑，以获得不同位置的初始聚焦电流。
2.如权利要求1所述的一种双层板结构的电子束焊接聚焦电流确定方法，其特征在于，在步骤S05中，将所述动态焊接聚焦电流作为确定的电子束焊接聚焦电流之后，还包括：在待焊试板远离上层板边缘的不可视区域，采用选取的电压、速度及确定的焊接电流、动态聚焦电流参数，进行焊接验证试验。
3.如权利要求2所述的一种双层板结构的电子束焊接聚焦电流确定方法，其特征在于，在所述焊接验证试验中，对动态焊接聚焦电流进行微调，以在相同截面位置的上、下层焊缝宽度偏差不大于±1mm，焊缝内部质量满足标准，以该微调后的动态焊接聚焦电流作为最终确定的焊接聚焦电流。
4.如权利要求1所述的一种双层板结构的电子束焊接聚焦电流确定方法，其特征在于，获取初始聚焦电流所进行定点瞬时扫描试验的参数为：采用1～2mA的小束流、设置2mm以上辐值的圆波形；获取最终静态聚焦电流所进行的顶点瞬时扫描试验的参数为：采用5～10mA大束流、2mm以上辐值的圆波形。
5.如权利要求1所述的一种双层板结构的电子束焊接聚焦电流确定方法，其特征在于，在步骤S02中，使上下层板形成大致呈等径的圆环斑束，并使上下层板束流呈对称分布、上下层板的束斑形貌趋于一致、且不完全熔透待焊试板的确定方式包括：通过CCD图像观察和测量分析上、下层板扫描束斑轨迹直径，若尺寸偏差大于±1mm，再次进行试验调控聚焦电流直至满足偏差不大于±1mm。
6.如权利要求1所述的一种双层板结构的电子束焊接聚焦电流确定方法，其特征在于，在步骤S03中，所述可视化焊接区为距离上层板边缘横向10～50mm的区域。
7.如权利要求1所述的一种双层板结构的电子束焊接聚焦电流确定方法，其特征在于，在步骤S05中，使上下层板电子束束斑、焊缝形貌趋于一致的确定方式包括：测量上、下层板焊缝的宽度，在尺寸偏差满足不大于±1mm条件下，确定动态焊接聚焦电流；否则，继续进行动态聚焦电流的调控试验。
8.如权利要求1所述的一种双层板结构的电子束焊接聚焦电流确定方法，其特征在于，试验所采用的待焊试板结构为上层板窄、下层板宽的舌形板。
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