CN1502441A - 一种确定电子束焊接参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接技术领域，涉及对电子束焊接方法的改进。本发明方法的步骤是：(1)选定加速电压U_a和焊接速度V;(2)确定工件临界穿透束流I_c；(3)根据已获得的临界穿透束流I_c确定焊接试验件的输入束流I_b值；(4)焊接试验件；(5)根据对试验件焊缝的检查情况修正输入束流I_b值。本发明方法可以根据被焊零件的要求迅速准确地获得焊接的束流参数，避免了多次重复解剖被焊试样，节省参数确定时间，降低焊接成本。

Description

一种确定电子束焊接参数的方法

技术领域。

本发明属于焊接技术领域，涉及对电子束焊接方法的改进。

背景技术。

在电子束焊接加工中，不同的材质、不同厚度的工件所需要的焊接参数都不相同。在加速电压U_a、焊接速度V和输入束流I_b三个主要焊接参数中，前两个参数依据经验比较容易选择，而选择合适的输入束流I_b却很困难，需要通过多次焊接试验样件，对样件的焊缝进行剖开检验，逐步修正才能找到适合的输入束流I_b。这样就使焊接的效率低，并导致成本的上升。而且由于不可能进行大量的试焊，很难找到适合工件的最佳参数，因此不利于保证焊接的质量。

发明内容。

本发明所解决的技术问题是：提出一种能快速、准确地确定电子束焊接参数的试验装置和试验方法。

本发明的技术方案是：一种确定电子束焊接参数的方法，其特征在于，

(1)根据电子束焊机的特点与性能，选定加速电压U_a；

(2)根据被焊工件厚度和材质，依经验选定焊接速度V；

(3)通过试验，画出确定工件的临界穿透束流I_c与聚焦电流之间的关系曲线，具体步骤是：

第一步，取与工件相同厚度和材质的试样，放入电子束焊机真空室中，将试样与焊机绝缘；

第二步，将电流传感器的初级串联在试样与焊机地线之间，电流传感器的次级并联采样电阻R和滤波电容C，模数转换器的输入端与电阻R的两端连接，模数转换器的输出端与数字信号处理机连接；

第三步，焊接试样，求出工件传导电流的均值传导比R_a随输入束流I_b变化的曲线，工件传导电流的均值传导比R_a＝I_wp/I_b，式中I_wp为工件传导电流，在其它参数不变的焊接过程中，从小到大逐步增加输入束流I_b，将电阻R两端的代表工件传导电流I_wp的电压信号进行模数转换，在数字信号处理机中进行处理，求出工件传导电流的均值传导比R_a，以输入束流I_b为横坐标，以工件传导电流的均值传导比R_a为纵坐标，给出工件传导电流的均值传导比R_a随输入束流I_b变化的函数曲线；

第四步，找出曲线中的峰值点，该点所对应的横坐标值即为工件的临界穿透束流I_c；

(3)根据已获得的临界穿透束流I_c，按照下述方法确定焊接试验件的输入束流I_b值：当需要将工件焊透时，根据已获得的临界穿透束流I_c，选取实际焊接电流I_b值的范围是：I_c≤I_b≤I_c+5％I_c；当不需要将工件焊透但设计的焊缝熔深也接近焊透时，选取实际焊接电流I_b值的范围是：I_c-5％I_c≤I_b≤I_c；

(4)焊接试验件检验输入束流I_b值，根据上述确定的输入束流I_b值焊接试验件，焊接完成后剖开焊缝检查焊接质量；

(5)根据对试验件焊缝的检查情况修正输入束流I_b值，如果试验件焊缝合格，则焊接试验件的输入束流I_b值即为焊接工件所需要的输入束流I_b值；如果试验件焊缝不合格，首先分析焊接试板与被焊工件在结构上的区别；如果试板在结构上热熔大于被焊工件，可适当减少束流I_b；如果试板在结构上热熔小于被焊工件，可适当增加束流I_b；对经过修正的输入束流I_b值还需重新试焊。

本发明的有益效果是：

电子束焊接参数组合是一种非线性关系，它们的确定主要依靠经验和试验，针对不同的零件和不同的结构，有时需要进行许多不同参数的对比试验，从中获得一组较好的组合。电子束焊接束流是焊接参数中最重要的参数，本发明提供了一种确定最佳穿透电子束流的方法。采用所发明的方法可以确定一定厚度板材焊透所需的电子束流，从而可以根据被焊零件的要求迅速准确地获得焊接的束流参数，避免了多次重复解剖被焊试样，可以节省参数确定时间和经费。

电子束流的确定利用了我们研究过程中认识的电子束焊接过程的客观规律：电子束焊接工件传导电流与输入束流的比值(传导电流比)存在极值，极值是极大值，极大值所对应的输入束流是电子束焊接工件时的临界穿透束流。

初期试验获得传导电流比与输入束流的曲线关系需要的试验数据点较多，但是熟悉试验方法和焊接规律后，只需要在极大值附近进行较少的试验，获得趋势和规律即可。参见发明实施例。

附图说明。

图1是本发明硬件配置示意图。

图2是本发明实施例1的工件传导电流的均值传导比R_a随输入束流Ib变化的曲线。

图3是本发明实施例2的工件传导电流的均值传导比R_a随输入束流Ib变化的曲线。

图4是本发明实施例3的工件传导电流的均值传导比R_a随输入束流Ib变化的曲线。

图5是本发明实施例4的工件传导电流的均值传导比R_a随输入束流Ib变化的曲线。

图6是本发明数字信号处理程序流程图。

实施方式。

下面对本发明方法做进一步详细说明。参见图1，这是实施本方法的硬件装置。下面对图1的装置做进一步说明。

1)采集工件传导电流的前提是工件与焊机保持绝缘，而工件接收的电子都通过电流传感器传导到焊机的公用地线。

2)一般采用耐高温的陶瓷材料作为绝缘材料，绝缘材料处于工件和工作台之间，将被焊工件与焊机绝缘，仅仅通过导线与电流传感器连接。

3)电流传感器的选择依据是电子束焊接输入束流。试验采用的焊机最大输入束流是100mA，选取的电流传感器额定电流最大值为100mA，精度1％；实际焊接束流并不是总达到最大值，电流传感器额定电流最大值也可选取为30mA、50mA，以提高精度，例如选用科海KT0.03A/P、KT0.05A/P等。

4)选用高精度电阻R，其阻值为50欧姆，精度1％以上。

5)选用滤波电容C，其值为0.01～2μF。

6)模数转换频率最小为50KHz，采样通道4路以上，以便多路采集。

7)数字信号处理由自编软件完成。

8)采用通用计算机。

本发明方法的步骤是：

(1)根据电子束焊机的特点与性能，选定加速电压U_a；

(2)根据被焊工件厚度和材质，依经验选定焊接速度V；

(3)通过试验，画出确定工件的临界穿透束流I_c与聚焦电流之间的关系曲线，具体步骤是：

第一步，取与工件相同厚度和材质的试样，放入电子束焊机真空室中，将试样与焊机绝缘；

第二步，将电流传感器的初级串联在试样与焊机地线之间，电流传感器的次级并联采样电阻R和滤波电容C，模数转换器的输入端与电阻R的两端连接，模数转换器的输出端与数字信号处理机连接；

第三步，焊接试样，求出工件传导电流的均值传导比R_a随输入束流I_b变化的曲线，工件传导电流的均值传导比R_a＝I_wp/I_b，式中I_wp为工件传导电流，在其它参数不变的焊接过程中，从小到大逐步增加输入束流I_b，将电阻R两端的代表工件传导电流I_wp的电压信号进行模数转换，在数字信号处理机中进行处理，求出工件传导电流的均值传导比R_a，以输入束流I_b为横坐标，以工件传导电流的均值传导比R_a为纵坐标，给出工件传导电流的均值传导比R_a随输入束流I_b变化的函数曲线。

第四步，找出曲线中的峰值点，该点所对应的横坐标值即为工件的临界穿透束流I_c。

(3)根据已获得的临界穿透束流I_c，按照下述方法确定焊接试验件的输入束流I_b值：当需要将工件焊透时，根据已获得的临界穿透束流I_c，选取实际焊接电流I_b值的范围是：I_c≤I_b≤I_c+5％I_c；当不需要将工件焊透但设计的焊缝熔深也接近焊透时，选取实际焊接电流I_b值的范围是：I_c-5％I_c≤I_b≤I_c。

(4)焊接试验件检验输入束流I_b值，根据上述确定的输入束流I_b值焊接试验件，焊接完成后剖开焊缝检查焊接质量。

(5)根据对试验件焊缝的检查情况修正输入束流I_b值，如果试验件焊缝合格，则焊接试验件的输入束流I_b值即为焊接工件所需要的输入束流I_b值；如果试验件焊缝不合格，首先分析焊接试板与被焊工件在结构上的区别；如果试板在结构上热熔大于被焊工件，可适当减少束流I_b；如果试板在结构上热熔小于被焊工件，可适当增加束流I_b；对经过修正的输入束流I_b值还需重新试焊。

实施例。

实施例1——对图2曲线的说明：

(1)实验条件：1.7mm厚的低碳钢板，电子束焊接加速电压是142kV，焊接速度3mm/s。

(2)函数曲线的获得：

首先选取不能焊透工件的适当小的输入束流I_b1焊接工件，从数据采集系统可以获得工件传导电流I_wp1，求得工件传导电流均值传导比R_a1＝I_wp1/I_b1，将(R_a1，I_b1)画在图中。

接着，适当增加输入束流到I_b2焊接工件，再从数据采集系统获得工件传导电流I_wp2，求得工件传导电流均值传导比R_a2＝I_wp2/I_b2，将(R_a2，I_b2)画在图中。

依照同样道理，不断增加输入束流焊接工件，可以获得工件在未焊透、近焊透、焊透和切割状态等的(R_ai，I_bi)。

将(R_ai，I_bi)依次全部画在图中，光滑连接就获得了图2中的函数曲线。

(3)从函数曲线图中找到工件传导束流均值传导比极值点R_a所对应的输入束流值，其值约为I_b＝4.1～4.3mA，这个值是工件在这组焊接参数下的临界穿透束流。

(4)依据临界穿透束流值，根据被焊零件的具体要求选取零件焊接束流。如果零件需要焊透，可以适当增加5％的输入束流；如果零件不需要焊透，可以适当减少5％的输入束流。另外，被焊零件的装配间隙较大时应该减小输入束流。

(5)使用初步确定的束流焊接实际零件后，解剖检查焊缝熔深，一般会满足要求；如果熔深不满足要求，可以分析零件结构或导热条件与试验试板的差别，作较小调整。

实施例2——对图3曲线的说明：

(1)实验条件：3.0mm厚的低碳钢板，电子束焊接加速电压是142kV，焊接速度3mm/s。

(2)函数曲线的获得：

首先选取不能焊透工件的适当小的输入束流I_b1焊接工件，从数据采集系统可以获得工件传导电流I_wp1，求得工件传导电流均值传导比R_a1＝I_wp1/I_b1，将(R_a1，I_b1)画在图中。

接着，适当增加输入束流到I_b2焊接工件，再从数据采集系统获得工件传导电流I_wp2，求得工件传导电流均值传导比R_a2＝I_wp2/I_b2，将(R_a2，I_b2)画在图中。

依照同样道理，不断增加输入束流焊接工件，可以获得工件在未焊透、近焊透、焊透和切割状态等的(R_ai，I_bi)。

将(R_ai，I_bi)依次全部画在图中，光滑连接就获得了图3中的函数曲线。

(3)从函数曲线图中找到工件传导电流均值传导比极值点R_a所对应的输入束流值，其值约为I_b＝4.6～4.8mA，这个值是工件在这组焊接参数下的临界穿透束流。

(4)依据临界穿透束流值，根据被焊零件的具体要求选取零件焊接束流。如果零件需要焊透，可以适当增加5％的输入束流；如果零件不需要焊透，可以适当减少5％的输入束流。另外，被焊零件的装配间隙较大时应该减小输入束流。

(5)使用初步确定的束流焊接实际零件后，解剖检查焊缝熔深，一般会满足要求；如果熔深不满足要求，可以分析零件结构或导热条件与试验试板的差别，作较小调整。

实施例3——对图4曲线的说明：

(1)实验条件：6.5mm厚的低碳钢板，电子束焊接加速电压是142kV，焊接速度5mm/s。

(2)函数曲线的获得：

首先选取不能焊透工件的适当小的输入束流I_b1焊接工件，从数据采集系统可以获得工件传导电流I_wp1，求得工件传导电流均值传导比R_a1＝I_wp1/I_b1，将(R_a1，I_b1)画在图中。

接着，适当增加输入束流到I_b2焊接工件，再从数据采集系统获得工件传导电流I_wp2，求得工件传导电流均值传导比R_a2＝I_wp2/I_b2，将(R_a2，I_b2)画在图中。

依照同样道理，不断增加输入束流焊接工件，可以获得工件在未焊透、近焊透、焊透和切割状态等的(R_ai，I_bi)。

将(R_ai，I_bi)依次全部画在图中，光滑连接就获得了图4中的函数曲线。

(3)从函数曲线图中找到工件传导电流均值传导比极值点R_a所对应的输入束流值，其值约为I_b＝8.9～9.6mA，这个值是工件在这组焊接参数下的临界穿透束流。

(4)依据临界穿透束流值，根据被焊零件的具体要求选取零件焊接束流。如果零件需要焊透，可以适当增加5％的输入束流；如果零件不需要焊透，可以适当减少5％的输入束流。另外，被焊零件的装配间隙较大时应该减小输入束流。

(5)使用初步确定的束流焊接实际零件后，解剖检查焊缝熔深，一般会满足要求；如果熔深不满足要求，可以分析零件结构或导热条件与试验试板的差别，作较小调整。

实施例4——对图5曲线的说明：

(1)实验条件：7.9mm厚的低碳钢板，电子束焊接加速电压是142kV，焊接速度7mm/s。

(2)函数曲线的获得：

首先选取不能焊透工件的适当小的输入束流I_b1焊接工件，从数据采集系统可以获得工件传导电流I_wp1，求得工件传导电流均值传导比R_a1＝I_wp1/I_b1，将(R_a1，I_b1)画在图中。

接着，适当增加输入束流到I_b2焊接工件，再从数据采集系统获得工件传导电流I_wp2，求得工件传导电流均值传导比R_a2＝I_wp2/I_b2，将(R_a2，I_b2)画在图中。

依照同样道理，不断增加输入束流焊接工件，可以获得工件在未焊透、近焊透、焊透和切割状态等的(R_ai，I_bi)。

将(R_ai，I_bi)依次全部画在图中，光滑连接就获得了图5中的函数曲线。

(3)从函数曲线图中找到工件传导电流均值传导比极值点R_a所对应的输入束流值，其值约为I_b＝15.8～16.4mA，这个值是工件在这组焊接参数下的临界穿透束流。

(4)依据临界穿透束流值，根据被焊零件的具体要求选取零件焊接束流。如果零件需要焊透，可以适当增加5％的输入束流；如果零件不需要焊透，可以适当减少5％的输入束流。另外，被焊零件的装配间隙较大时应该减小输入束流。

(5)使用初步确定的束流焊接实际零件后，解剖检查焊缝熔深，一般会满足要求；如果熔深不满足要求，可以分析零件结构或导热条件与试验试板的差别，作较小调整。

软件流程图工作过程说明——对图6的说明：

根据被焊工件的条件需要设定焊接参数中的加速电压、焊接速度等，利用本发明确定焊接的输入束流。

第一步：设定时间步长Δt，设定束流初值I_b0，控制输入束流I_bi与时间步长Δt的关系，其中i＋1，2，3…；

第二步：采集每个时刻t_i＝i*Δt的工件传导电流I_wpi，计算工件传导电流I_wpi的平均值I_wpi；

第三步：计算均值传导比R_ai＝I_wpi/I_bi

第四步：建立均值传导比R_ai与输入束流I_bi的函数关系，即R_ai＝f(I_bi)；

第五步：求得均值传导比R_ai的最大值，即R_ai(max)；

第六步：确定均值传导比最大值R_ai(max)所对应的输入束流I_bi，即为此条件下的临界穿透束流I_c；

第七步：根据实际工件焊透或非焊透需求，束流在临界穿透束流I_c±5％范围内调整，即可确定焊接束流I_b。

Claims (1)

1、一种确定电子束焊接参数的方法，其特征在于，

(1)根据电子束焊机的特点与性能，选定加速电压U_a；

(2)根据被焊工件厚度和材质，依经验选定焊接速度V；

(3)通过试验，画出确定工件的临界穿透束流I_c与聚焦电流之间的关系曲线，具体步骤是：

第一步，取与工件相同厚度和材质的试样，放入电子束焊机真空室中，将试样与焊机绝缘；

第二步，将电流传感器的初级串联在试样与焊机地线之间，电流传感器的次级并联采样电阻R和滤波电容C，模数转换器的输入端与电阻R的两端连接，模数转换器的输出端与数字信号处理机连接；

第三步，焊接试样，求出工件传导电流的均值传导比R_a随输入束流I_b变化的曲线，工件传导电流的均值传导比R_a＝I_wp/I_b，式中I_wp为工件传导电流，在其它参数不变的焊接过程中，从小到大逐步增加输入束流I_b，将电阻R两端的代表工件传导电流I_wp的电压信号进行模数转换，在计算机中通过数字信号处理软件进行处理，求出工件传导电流的均值传导比R_a，以输入束流I_b为横坐标，以工件传导电流的均值传导比R_a为纵坐标，给出工件传导电流的均值传导比R_a随输入束流I_b变化的函数曲线；

第四步，找出曲线中的峰值点，该点所对应的横坐标值即为工件的临界穿透束流I_c；

(3)根据已获得的临界穿透束流I_c，按照下述方法确定焊接试验件的输入束流I_b值：当需要将工件焊透时，根据已获得的临界穿透束流I_c，选取实际焊接电流I_b值的范围是：I_c≤I_b≤I_c+5％I_c；当不需要将工件焊透但设计的焊缝熔深也接近焊透时，选取实际焊接电流I_b值的范围是：I_c-5％I_c≤I_b≤I_c；

(4)焊接试验件检验输入束流I_b值，根据上述确定的输入束流I_b值焊接试验件，焊接完成后剖开焊缝检查焊接质量；

(5)根据对试验件焊缝的检查情况修正输入束流I_b值，如果试验件焊缝合格，则焊接试验件的输入束流I_b值即为焊接工件所需要的输入束流I_b值；如果试验件焊缝不合格，首先分析焊接试板与被焊工件在结构上的区别；如果试板在结构上热熔大于被焊工件，可适当减少束流I_b；如果试板在结构上热熔小于被焊工件，可适当增加束流I_b；对经过修正的输入束流I_b值还需重新试焊。

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