CN1502442A - 一种确定电子束焊接最佳聚焦电流的方法 - 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；(2)选定焊接速度V；(3)通过试验，确定工件临界穿透束流I_c与聚焦电流之间的关系曲线；(4)确定焊接工件的最佳聚焦电流数值I_f。本发明方法获得的聚焦状态可以用最小的输入束流获得最大的熔深；同时它反映了电子束本身的对称性、极值性和活性区大小等。

Description

一种确定电子束焊接最佳聚焦电流的方法

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，焊接不同的材质、不同厚度的工件时，确定电子束的最佳聚焦电流有重要的意义。电子束焊接的金属熔化效果和焊缝质量等与电子束的焊接参数存在密切关系，焊接参数包括加速电压、束流、焊接速度、电子束焦点位置和束斑品质以及材料性能等。其中焦点位置和束斑品质在所有参数中最难确定，一方面由于焦点参数的数据不直观，另一方面焦点对焊接的影响是非线性关系，非常复杂，同时还可能存在焊接过程的金属蒸气影响焦点位置和束斑品质等。

过去在实际的焊接生产中采用了多种焦点测量方法，最简单的是经验测量法，这种方法是利用很小束流在某一高度试块上调节聚焦电流，通过观察束流斑点直径(使用光学潜望镜)或光线强弱和飞溅大小(肉眼观测)等来大致判断焦点的位置。传统的焦点检测方法是日本Arata教授发明的，后来称为Arata-Beam Test Method(简称AB法)；它是将金属片竖直放置在不同的高度，呈锯齿斜坡状，电子束沿斜坡扫过，通过测量电子束在金属片上熔化宽度的痕迹，测定电子束在不同工作距离的焦点位置和束斑品质。AB法检测结果误差较大，金属片不能重复使用，有明显的局限性，并且不能准确反映电子束焊接的动态过程。对于中小功率的电子束，可以采用探针式传感器高速扫描静止的电子束进行检测，但是探针检测获得的电流是工件传导电流，不能反映电子束本身的电子密度分布。这些方法可检测的束流功率都不可能太大，并且测量的结果在具体工件焊接时还需要进一步根据经验调整。德国的电子束流能量密度DIABEAM测试系统是目前先进的电子束焦点和品质检测方法之一，是一种电子束静态焦点测量方法，可以测得电子束的束斑直径和电子束能量密度分布，但是所测量的电子束是在真空中传输未受焊接过程影响的焦点。

发明内容。

本发明所解决的技术问题是：提出一种能准确地确定电子束焊接动态过程聚焦电流的方法，准确地控制焊接中动态焦点的位置，提高电子束的束斑品质，从而提高焊接质量。

本发明的技术方案是：一种确定电子束焊接动态过程最佳聚焦电流的方法，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，依经验选择一个聚焦电流的具体数值，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，将该数值作为纵坐标，将与该数值对应的聚焦电流I_f数值作为横坐标，在一个二维坐标系中标定出与上述坐标对应的点；

第五步，重复上述第一步至第四步的过程，在第三步中选择不同的聚焦电流的具体数值进行试样焊接，将得到的数据一一标定在坐标系中，勾画曲线一般需要七个试验数据点以上才能较好的描绘曲线的趋势，将离散的点进行光滑连接，得到工件的临界穿透束流I_c与聚焦电流I_f之间的关系曲线；

(4)确定焊接工件的最佳聚焦电流数值，通过观测临界穿透束流I_c和聚焦电流I_f的关系曲线中存在一定对称性并且具有临界穿透束流I_c极小值，可以获得临界穿透束流I_c极小值所对应的聚焦电流I_f就是焊接工件时的最佳聚焦电流数值I_f。

本发明的有益效果是：

本发明的重要思想是利用电子束焊接过程的临界穿透状态和临界穿透束流等基本概念，获得焊接过程和电子束传输状态之间的关系。电子束焊接的金属熔化效果和焊缝质量等与电子束的焊接参数存在密切关系，电子束焊接参数包括加速电压、束流、焊接速度、电子束焦点位置和束斑品质以及材料性能等。一方面焦点位置和束斑品质在所有参数中最难确定，另一方面焊接过程的金属蒸气影响焦点位置和束斑品质，这种影响是非常复杂的非线性关系，同时其它焊接参数也对焦点产生较大的影响。过去的焦点测量方法基本没有反映出电子束焦点位置和束斑品质在焊接动态过程的特征。

采用本发明测量电子束焦点位置和束斑品质，具有下列优点：

第一，本发明测量过程是在电子束焊接动态条件下进行的，这种聚焦状态受到焊接过程金属蒸气的直接影响，焦点位置和束斑品质的聚焦状态完全反映了焊接状态；过去的焦点测量方法一般都不能反映焊接的动态过程，其中AB方法测量的焦点虽然反映了金属蒸气的部分影响，但其金属蒸气的状态不同于焊接过程的状态，不能完全反映焊接动态过程。

第二，本发明可以发现电子束焊接的其它参数如加速电压、束流、焊接速度等与动态聚焦状态之间的关系；除DIABEAM测试系统可以反映静态电子束流大小变化对焦点的影响外，其它方法都未能反映或未能完全反映焊接参数的影响。

第三，理论上，本发明可以获得任何大小电子束流的聚焦状态而不受检测传感器的限制；除DIABEAM测试系统外，其它焦点测量方法都受电子束流大小的限制。

第四，本发明测量焦点状态与实际焊接的板厚有关，当被焊板的厚度减薄时，焊接动态过程和金属蒸气对焦点的影响逐渐减小，测量所获得的焦点会逐渐接近电子束在漂移空间中传输的焦点状态；DIABEAM测试系统所测量的电子束焦点和品质仅仅是本发明所测量的一种板厚为零的极限状态。

第五，本发明方法测量获得的聚焦状态物理意义清晰，工程实际应用方便。在动态焦点状态焊接可以用最小的输入束流获得最大的熔深；

第六，本发明测得的聚焦状态反映了电子束本身的对称性、极值性和活性区大小等。

附图说明。

图1是本发明硬件配置示意图。

图2是本发明一个实施例的工件的临界穿透束流I_c与聚焦电流I_f之间的关系曲线。

图3是本发明一个实施例的工件的临界穿透束流I_c与聚焦电流I_f之间的关系曲线。

图4是本发明一个实施例的板厚对电子束动态聚焦状态的影响。

图5是本发明数字信号处理程序流程图。

具体实施方式。

下面对本发明方法做进一步详细说明，参见图1。

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，依经验选择一个聚焦电流的具体数值，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，将该数值作为纵坐标，将与该数值对应的聚焦电流I_f数值作为横坐标，在一个二维坐标系中标定出与上述坐标对应的点；

第五步，重复上述第一步至第四步的过程，在第三步中选择不同的聚焦电流的具体数值进行试样焊接，将得到的数据一一标定在坐标系中，勾画曲线一般需要七个试验数据点以上才能较好的描绘曲线的趋势，将离散的点进行光滑连接，得到工件的临界穿透束流I_c与聚焦电流I_f之间的关系曲线；

(3)确定焊接工件的最佳聚焦电流数值，通过观测临界穿透束流I_c和聚焦电流I_f的关系曲线中存在一定对称性并且具有临界穿透束流I_c极小值，可以获得临界穿透束流I_c极小值所对应的聚焦电流I_f就是焊接工件时的最佳聚焦电流数值I_f。

实施例。

实施例1——对图2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2.5mm/s，工件表面距离真空室顶197mm。

(2)函数曲线的获得：

设定焊机聚焦系统的聚焦电流I_f1，从大到小增大焊接输入束流I_b，利用工件传导电流采集系统获得此聚焦状态下的临界穿透束流I_c1，可以获得曲线上的一个数据点(I_f1，I_c1)，临界穿透束流I_c1的获得过程如下：

■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)依次全部画在图中并光滑连接得到函数曲线，从曲线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I_b，这个值是工件的临界穿透束流I_c1。

适当增大聚焦电流到I_f2，从大到小增大焊接输入束流I_b，利用工件传导电流采集系统获得此聚焦状态下的临界穿透束流I_c2，可以获得曲线上的又一个数据点(I_f2，I_c2)，临界穿透束流I_c2的获得方法同上。

依照同样道理，不断增大聚焦电流I_fi，可以获得曲线上的多个数据点(I_fi，I_ci)，i＝1，2，3…。

将(I_fi，I_ci)依次全部画在图中并光滑连接得到函数曲线，从曲线中找到工件临界穿透束流I_c极小值点I_c(min)，I_c(min)所对应的聚焦电流值I_f是此条件下工件动态聚焦电流。

实施例2——对图3曲线的说明：

(1)实验条件：11mm厚的低碳钢板，电子束焊接加速电压是142kV，焊接速度2.5mm/s，工件表面距离真空室顶345mm。

(2)函数曲线的获得：

设定焊机聚焦系统的聚焦电流I_f1，从大到小增大焊接输入束流I_b，利用工件传导电流采集系统获得此聚焦状态下的临界穿透束流I_c1，可以获得曲线上的一个数据点(I_f1，I_c1)，临界穿透束流I_c1的获得过程如下：

■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)依次全部画在图中并光滑连接得到函数曲线，从曲线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I_b，这个值是工件的临界穿透束流I_c1。

适当增大聚焦电流到I_f2，从大到小增大焊接输入束流I_b，利用工件传导电流采集系统获得此聚焦状态下的临界穿透束流I_c2，可以获得曲线上的又一个数据点(I_f2，I_c2)，临界穿透束流I_c2的获得方法同上。

依照同样道理，不断增大聚焦电流I_fi，可以获得曲线上的多个数据点(I_fi，I_ci)，i＝1，2，3…。

将(I_fi，I_ci)依次全部画在图中并光滑连接得到函数曲线，从曲线中找到工件临界穿透束流I_c极小值点I_c(min)，I_c(min)所对应的聚焦电流值I_f是此条件下工件动态聚焦电流。

实施例3——对图4曲线的说明：

(1)实验条件：电子束焊接加速电压是142kV，焊接速度2.5mm/s，工件表面距离真空室顶345mm。

(2)图中有6条函数曲线，从下往上获得的曲线板厚分别为1.8，3.0，5.6，9.3，11，15mm，每种厚度板都有一条临界穿透束流与聚焦电流关系曲线。

(3)将每一板厚的最小临界穿透束流连接起来，获得一条聚焦电流随板厚变化的曲线。

(4)图中可见当板厚大于9mm以上时，动态聚焦电流几乎不变化。

软件流程图工作过程说明——对图5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，利用本发明确定束流的动态焦点。

第一步：设定聚焦电流初值I_f0，聚焦电流步长ΔI_f，时间步长Δt；

第二步：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…；

第三步：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；

第四步：计算均值传导比R_ai＝I_wpi/I_bi

第五步：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)；

第六步：求得均值传导比R_ai的最大值，即R_ai(max)；

第七步：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_ck，其中k＝1，2，3…；

第八步：增加聚焦电流I_fk＝I_f0+ΔI_f，重复第二步到第七步，确定每一步的临界穿透束流I_ck；

第九步：建立聚焦电流I_fk和临界穿透束流I_ck，之间的函数关系，即I_ck＝f(I_fk)；

第十步：求得临界穿透束流I_c的最小值I_c(min)；

第十一步：确定临界穿透束流最小值I_c(min)所对应的聚焦电流I_f，即为此条件下的最佳穿透聚焦电流——动态焦点状态。

Claims (1)

1、一种确定电子束焊接动态过程最佳聚焦电流的方法，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，依经验选择一个聚焦电流的具体数值，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，将该数值作为纵坐标，将与该数值对应的聚焦电流I_f数值作为横坐标，在一个二维坐标系中标定出与上述坐标对应的点；

第五步，重复上述第一步至第四步的过程，在第三步中选择不同的聚焦电流的具体数值进行试样焊接，将得到的数据一一标定在坐标系中，勾画曲线一般需要七个试验数据点以上才能较好的描绘曲线的趋势，将离散的点进行光滑连接，得到工件的临界穿透束流I_c与聚焦电流I_f之间的关系曲线；

(4)确定焊接工件的最佳聚焦电流数值，通过观测临界穿透束流I_c和聚焦电流I_f的关系曲线中存在一定对称性并且具有临界穿透束流I_c极小值，可以获得临界穿透束流I_c极小值所对应的聚焦电流I_f，也就是焊接工件时的最佳聚焦电流数值I_f。

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