CN103639583A - 一种利用对称电子束焊接轨迹进行焊接的方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用对称电子束焊接轨迹进行焊接的方法及***,所述方法包括:获取预焊接的工件的结构特征、焊缝质量以及焊接过程中的应力变形控制要求;根据结构特征、焊缝质量以及应力变形控制要求确定焊接过程中的工艺参数,工艺参数包括电子束束流数目、束流、形状校核因子、扫描频率、工作电压、聚焦电流;根据所述的电子束束流数目确定电子束的扫描路径坐标点;根据所述的扫描路径坐标点生成路径坐标数据;电子束焊机根据所述的路径坐标数据完成所述工件的焊接过程。通过扫描控制***,结合校核因子、扫描频率等其它参数,通过多束电子束的焊接,实现焊缝质量的提高和应力变形的控制,同时大幅度提升焊接效率。
Description
技术领域
本发明关于电子束加工技术领域,特别是关于电子束的焊接技术,具体的讲是一种利用对称电子束焊接轨迹进行焊接的方法及***。
背景技术
现有技术的工程实际应用中经常需要对带有端面圆形焊缝的小尺寸高精度零件进行电子束焊接。为了保证焊缝成形和内部质量,目前主要采用如下两种加工方法:
(1)、通过数控编程实现工作台按照既定的路线(圆形轨迹)运动,从而实现圆形焊缝的电子束焊接;
(2)、利用电子束焊机的内置偏摆扫描程序,通过设置合适的程序参数,实现电子束的圆形偏摆扫描,从而实现电子束对圆形焊缝的电子束焊接。
上述两种传统的电子束焊接技术存在如下不足:
(1)、通过数控编程利用工作台的插补运动实现电子束圆形焊缝焊接,该方法中电子束焊接精度受限于工作台的运动精度,无法完成具有较高精度要求的零件加工,而且大批量生产时,加工效率太低。
(2)、通过内置偏摆扫描程序实现电子束平圆形焊缝焊接,该方法直接扫描出圆形轨迹,焊缝成形不易控制,焊接加热时间也不好掌握,无法适用于大批量、高精度的圆形焊缝焊接要求。
因此,现有技术中的上述两种方法均无法实现大批量高效高精度电子束焊接,无法实现高精度焊缝质量。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述问题,本发明提供了一种利用对称电子束焊接轨迹进行焊接的方法及***,可以通过焊接轨迹规划、位置坐标计算,实现电子束的多束流控制,可以按照轨迹要求,设计对应的坐标文件,通过扫描控制***,结合校核因子、扫描频率等其它参数,通过多束电子束的焊接,实现焊缝质量的提高和应力变形的控制,同时大幅度提升焊接效率。
本发明的目的之一是,提供一种利用对称电子束焊接轨迹进行焊接的方法,包括:获取预焊接的工件的结构特征、焊缝质量以及焊接过程中的应力变形控制要求;根据所述的结构特征、焊缝质量以及应力变形控制要求确定焊接过程中的工艺参数,所述的工艺参数包括电子束束流数目、束流、形状校核因子、扫描频率、工作电压、聚焦电流;根据所述的电子束束流数目确定电子束的扫描路径坐标点;根据所述的扫描路径坐标点生成路径坐标数据;电子束焊机根据所述的路径坐标数据完成所述工件的焊接过程。
本发明的目的之一是,提供了一种利用对称电子束焊接轨迹进行焊接的***,包括:电子束焊机以及路径坐标数据生成装置,其中,所述的路径坐标数据生成装置具体包括:工件特征获取模块,用于获取预焊接的工件的结构特征、焊缝质量以及焊接过程中的应力变形控制要求;工艺参数确定模块,用于根据所述的结构特征、焊缝质量以及应力变形控制要求确定焊接过程中的工艺参数,所述的工艺参数包括电子束束流数目、束流、形状校核因子、扫描频率、工作电压、聚焦电流;扫描路径坐标点确定模块,用于根据所述的电子束束流数目确定电子束的扫描路径坐标点;路径坐标数据生成模块,用于根据所述的扫描路径坐标点生成路径坐标数据;所述的电子束焊机,用于根据所述的路径坐标数据完成所述工件的焊接过程。
本发明的有益效果在于,提供了一种利用对称电子束焊接轨迹进行焊接的方法及***,与现有技术相比,可通过预先生成电子束的扫描路径坐标点,可以按照轨迹要求,设计电子束的扫描路径,并生成相对应的坐标数据,然后上传至扫描***中,并结合校核因子、扫描频率等其它参数,通过多束电子束的焊接,实现焊缝质量的提高和应力变形的控制,同时大幅度提升焊接效率。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂,下文特举较佳实施例,并配合所附图式,作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中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为本发明实施例提供的一种利用对称电子束焊接轨迹进行焊接的方法的流程图;
图2为图1中的步骤S105的具体流程图;
图3为本发明实施例提供的一种利用对称电子束焊接轨迹进行焊接的***的示意图;
图4为本发明提供的一种利用对称电子束焊接轨迹进行焊接的***中电子束焊机的结构框图;
图5为本发明提供的一种利用对称电子束焊接轨迹进行焊接的***中路径坐标数据生成模块的实施方式一的结构框图;
图6为本发明提供的一种利用对称电子束焊接轨迹进行焊接的***中路径坐标数据生成模块的实施方式二的结构框图;
图7为当选用单束流电子束焊接时的示意图;
图8为当选用多束流电子束焊接时的示意图;
图9为本发明提供的具体实施例中采用的工件的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
有鉴于现有技术中通过数控编程利用工作台的插补运动实现电子束圆形焊缝焊接,该方法中电子束焊接精度受限于工作台的运动精度,无法完成具有较高精度要求的零件加工,而且大批量生产时,加工效率太低;通过内置偏摆扫描程序实现电子束平圆形焊缝焊接,该方法直接扫描出圆形轨迹,焊缝成形不易控制,焊接加热时间也不好掌握,无法适用于大批量、高精度的圆形焊缝焊接要求。本发明提出一种利用对称电子束焊接轨迹进行焊接的方法,图1为该方法的具体流程图,由图1可知,所述的方法包括:
S101:获取预焊接的工件的结构特征、焊缝质量以及焊接过程中的应力变形控制要求。根据该工件的结构特征,即可判断该工件的焊缝是属于圆形焊缝还是椭圆形环形焊缝,如图9所示的具体实施例中的工件,在该实施例中,工件的结构特征为由内圆环和外圆环拼接而成,图9中,30为外圆环,10为内圆环,20为焊缝,其中,R=100mm,r=60mm,R‘=80mm。
在该实施例中,工件的焊缝内部质量要求为100%通过X光无损检测,焊接过程中的应力变形控制要求其焊接后椭圆度控制在±0.1mm以内。
S102:根据所述的结构特征、焊缝质量、焊接效率以及应力变形控制要求确定焊接过程中的工艺参数,所述的工艺参数包括电子束束流数目、束流、形状校核因子、扫描频率、工作电压、聚焦电流。
根据所述的结构特征、焊缝质量、焊接效率以及应力变形控制要求确定是否需要采用多束流电子束焊接,N表示所需的电子束束流数目,N=1,表示只采用单束流。N≥2表示选用多束流电子束焊接,N通常取值为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12。
在图9所示的具体实施例中,由于工件的结构特征为由内圆环和外圆环拼接而成,根据该工件的结构特征,即可判断该工件的焊缝为圆形焊缝。在该实施例中,工件的焊缝质量为内部质量要求100%通过X光无损检测,焊接过程中的应力变形控制要求为其焊接后椭圆度控制在±0.1mm以内,因此将工艺参数电子束束流数目设置为N=4,将束流设定为2mA、形状校核因子设定为SW=540、扫描频率设定为10Hz、工作电压设定为150kV、聚焦电流设定为2414mA。
S103:根据所述的电子束束流数目确定电子束的扫描路径坐标点。
在具体的实施方式中,当所述的电子束束流数目为1即选用单束流电子束焊接时,步骤S103通过如下参数方程进行:
其中,x为坐标点的横坐标值,y为坐标点的纵坐标值,为焊缝起始点所对应的角度,其取值范围为0-360°,如图7所示,在图7中,10为焊缝起始点,20为焊缝终止点,Δθ为下一个位置的角度变化值,i为坐标点(x,y)的序列,i为整数,取值范围为0<i≤M,取值范围为0<i≤M,R1为焊缝轨迹在x轴上的截距,R2为焊缝轨迹在y轴上的截距,当R1=R2时,则该焊缝呈圆形,若R1≠R2,则该焊缝为椭圆形,R1与R2的取值可根据实际工件焊缝尺寸确定。在图9所示的实施例中,R1=R2=R‘=80mm,因此图9所示的实施例中,焊缝20为圆形焊缝。
当所述的电子束束流数目不为1即选用多束流电子束焊接时,如图8所示,图8中,30为端面圆形焊缝,40为电子束,步骤S103通过如下参数方程进行:
其中,x为坐标点的横坐标值,y为坐标点的纵坐标值,为焊缝起始点所对应的角度,其取值范围为0-360°,δ为每束电子束需要扫过的角度,取值为N为电子束束流数目,j表示第j束,取值为1、2……N,Δθ为下一个位置的角度变化值,i为坐标点(x,y)的序列,为整数,取值范围为0<i≤M,M=δ/Δθ,R1为焊缝轨迹在x轴上的截距,R2为焊缝轨迹在y轴上的截距,R1、R2取值可根据实际工件焊缝尺寸确定。
S104:根据所述的扫描路径坐标点生成路径坐标数据。
在具体的实施方式中,当所述的电子束束流数目为1即选用单束流电子束焊接时,步骤S104包括:将所述的扫描路径坐标点按照坐标点序列i递增的顺序进行排列,生成路径坐标数据,其格式可根据对应的电子束焊机的扫描控制***的具体要求而定。
在具体的实施方式中,当所述的电子束束流数目为不1即选用多束流电子束焊接时,步骤S104包括:将所述的扫描路径坐标点先按照电子束序列j递增的顺序进行排列,再将所述的扫描路径坐标点按照坐标点序列i递增的顺序进行排列,生成路径坐标数据。如下所示:
(x11,y11),(x12,y12)…(x1j,y1j)…(x1N,y1N),
(x21,y21),(x22,y22)…(x2j,y2j)…(x2N,y2N)…
(xi1,yi1),(xi2,yi2)…(xij,yij)…(xiN,yiN)…
(xM1,yM1)…(xMj,yMj),…(xMN,yMN)。
S105:电子束焊机根据所述的路径坐标数据完成所述工件的焊接过程,图2为步骤S105的具体流程图,由图2可知,该步骤具体包括:
S201:将所述的工件置于所述电子束焊机的真空室内,真空室可抽真空至5x10-2帕以下。
S202:所述电子束焊机的扫描控制***获取所述的路径坐标数据;
S203:所述电子束焊机根据所述的工艺参数设置控制平台。
如图9所示的具体实施例中,将电子束焊机的工作电压加到150kV,并将阴极灯丝加热,调整聚焦电流为2414mA,设定束流2mA、形状校核因子SW=540、扫描频率10Hz。
S204:所述电子束焊机的电子枪完成焊接过程。
如上所述即为本发明提供的一种利用对称电子束焊接轨迹进行焊接的方法,针对小尺寸高效高精度要求的零件电子束焊接现有技术的不足提出的,该方法可以通过焊接轨迹规划、位置坐标计算,实现电子束的多束流控制,可以按照轨迹要求,设计对应的坐标文件,通过扫描控制***,结合校核因子、扫描频率等其它参数,通过多束电子束的焊接,实现焊缝质量的提高和应力变形的控制,同时大幅度提升焊接效率。
本发明还提出一种利用对称电子束焊接轨迹进行焊接的***,图3为该***的具体结构框图,由图3可知,所述的***包括电子束焊机100以及路径坐标数据生成装置200,
其中,所述的路径坐标数据生成装置200具体包括:
工件特征获取模块201,用于获取预焊接的工件的结构特征、焊缝质量以及焊接过程中的应力变形控制要求。根据该工件的结构特征,即可判断该工件的焊缝是属于圆形焊缝还是椭圆形环形焊缝,如图9所示的具体实施例中的工件,在该实施例中,工件的结构特征为由内圆环和外圆环拼接而成,图9中,30为外圆环,10为内圆环,20为焊缝,其中,R=100mm,r=60mm,R‘=80mm。
在该实施例中,工件的焊缝内部质量要求为100%通过X光无损检测,焊接过程中的应力变形控制要求其焊接后椭圆度控制在±0.1mm以内。
工艺参数确定模块202,用于根据所述的结构特征、焊缝质量、焊接效率以及应力变形控制要求确定焊接过程中的工艺参数,所述的工艺参数包括电子束束流数目、束流、形状校核因子、扫描频率、工作电压、聚焦电流。
根据所述的结构特征、焊缝质量、焊接效率以及应力变形控制要求确定是否需要采用多束流电子束焊接,N表示所需的电子束束流数目,N=1,表示只采用单束流。N≥2表示选用多束流电子束焊接,N通常取值为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12。
在图9所示的具体实施例中,由于工件的结构特征为由内圆环和外圆环拼接而成,根据该工件的结构特征,即可判断该工件的焊缝为圆形焊缝。在该实施例中,工件的焊缝质量为内部质量要求100%通过X光无损检测,焊接过程中的应力变形控制要求为其焊接后椭圆度控制在±0.1mm以内,因此将工艺参数电子束束流数目设置为N=4,将束流设定为2mA、形状校核因子设定为SW=540、扫描频率设定为10Hz、工作电压设定为150kV、聚焦电流设定为2414mA。
扫描路径坐标点确定模块203,用于根据所述的电子束束流数目确定电子束的扫描路径坐标点。
在具体的实施方式中,当所述的电子束束流数目为1即选用单束流电子束焊接时,扫描路径坐标点确定模块通过如下参数方程进行:
其中,x为坐标点的横坐标值,y为坐标点的纵坐标值,为焊缝起始点所对应的角度,其取值范围为0-360°,如图7所示,在图7中,10为焊缝起始点,20为焊缝终止点,Δθ为下一个位置的角度变化值,i为坐标点(x,y)的序列,i为整数,取值范围为0<i≤M,取值范围为0<i≤M,R1为焊缝轨迹在x轴上的截距,R2为焊缝轨迹在y轴上的截距,当R1=R2时,则该焊缝呈圆形,若R1≠R2,则该焊缝为椭圆形,R1与R2的取值可根据实际工件焊缝尺寸确定。在图9所示的实施例中,R1=R2=R‘=80mm,因此图9所示的实施例中,焊缝20为圆形焊缝。
当所述的电子束束流数目不为1即选用多束流电子束焊接时,如图8所示,图8中,30为端面圆形焊缝,40为电子束,扫描路径坐标点确定模块通过如下参数方程进行:
其中,x为坐标点的横坐标值,y为坐标点的纵坐标值,为焊缝起始点所对应的角度,其取值范围为0-360°,δ为每束电子束需要扫过的角度,取值为N为电子束束流数目,j表示第j束,取值为1、2……N,Δθ为下一个位置的角度变化值,i为坐标点(x,y)的序列,为整数,取值范围为0<i≤M,M=δ/Δθ,R1为焊缝轨迹在x轴上的截距,R2为焊缝轨迹在y轴上的截距,R1、R2取值可根据实际工件焊缝尺寸确定。
路径坐标数据生成模块204,用于根据所述的扫描路径坐标点生成路径坐标数据。
图5为路径坐标数据生成模块的实施方式一的结构框图,由图5可知,在实施方式一中,当所述的电子束束流数目为1即选用单束流电子束焊接时,路径坐标数据生成模块包括:第一顺序排列单元2041,用于将所述的扫描路径坐标点按照坐标点序列递增的顺序进行排列,生成路径坐标数据,其格式可根据对应的电子束焊机的扫描控制***的具体要求而定。图6为路径坐标数据生成模块的实施方式二的结构框图,由图6可知,在实施方式二中,当所述的电子束束流数目不为1时,所述的路径坐标数据生成模块具体包括:
第二顺序排列单元2042,用于将所述的扫描路径坐标点先按照电子束序列递增的顺序进行排列;
第三顺序排列单元2043,用于将所述的扫描路径坐标点按照坐标点序列递增的顺序进行排列,生成路径坐标数据。如下所示:
(x11,y11),(x12,y12)…(x1j,y1j)…(x1N,y1N),
(x21,y21),(x22,y22)…(x2j,y2j)…(x2N,y2N)…
(xi1,yi1),(xi2,yi2)…(xij,yij)…(xiN,yiN)…
(xM1,yM1)…(xMj,yMj),…(xMN,yMN)。
所述的电子束焊机100,用于根据所述的路径坐标数据完成所述工件的焊接过程。图4为电子束焊机的结构框图,由图4可知,电子束焊机具体包括:
真空室101,用于放置所述的工件,真空室可抽真空至5x10-2帕以下。
扫描控制***102,用于获取所述的路径坐标数据;
控制平台103,用于根据所述的工艺参数进行设置。如图9所示的具体实施例中,将电子束焊机的工作电压加到150kV,并将阴极灯丝加热,调整聚焦电流为2414mA,设定束流2mA、形状校核因子SW=540、扫描频率10Hz。
电子枪104,用于完成焊接过程。
本发明中的电子束焊机可为现有技术中的任何电子束焊机,由于电子束焊机与路径坐标数据生成装置相连接,路径坐标数据生成装置输出路径坐标数据,因此通过多束电子束的焊接,实现焊缝质量的提高和应力变形的控制,同时大幅度提升焊接效率。
下面结合具体的实施例,详细介绍本发明的技术方案。本实施例采用的工件如图9所示,具体步骤为:
1、根据该工件的结构特征,确定其焊缝为圆形;根据焊缝质量、焊接效率和应力变形的控制需求,选用多束流电子束焊接,束流数目为4,即N=4;
2、按照如下公式计算电子束扫描路径坐标点,其中各参数取值如下:
3、生成电子束扫描路径坐标点数据,数据中坐标点排列顺序为:
(x11,y11),(x12,y12),(x13,y13),(x21,y21),(x22,y22),(x23,y23)…(xi1,yi1),(xi2,yi2),(xi3,yi3)…(x360,1,y360,1),(x360,2,y360,2),(x360,3,y360,3)。
4、将工件放入真空室中,抽真空。
5、真空抽到5x10-2帕以下时,将电子束焊机的工作电压加到150kV,并将阴极灯丝加热,调整聚焦电流为2414mA。
6、将电子束扫描路径坐标点数据上传到电子束焊机的扫描控制***中。
7、设置电子束焊机的工艺参数,设定束流2mA、形状校核因子SW=540、扫描频率10Hz。
8、打开束流开关,从CCD观察***观察扫描过程。
9、完成焊接后,关断束流,关闭扫描功能;真空室放气后,将工件拿出。
综上所述,针对现有技术的不足,本发明提供了一种利用对称电子束焊接轨迹进行焊接的方法及***,该方案可通过预先编写电子束的扫描路径坐标点,可以按照轨迹要求,设计电子束的扫描路径,并生成相对应的坐标数据,然后上传至设备的扫描***中,并结合校核因子、扫描频率等其它参数,通过多束电子束的焊接,实现焊缝质量的提高和应力变形的控制,同时大幅度提升焊接效率。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程,可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的程序可存储于一般计算机可读取存储介质中,该程序在执行时,可包括如上述各方法的实施例的流程。其中,所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory,ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory,RAM)等。
本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个***的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用,可以使用各种方法实现所述的功能,但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (12)
1.一种利用对称电子束焊接轨迹进行焊接的方法,其特征是,所述的方法具体包括:
获取预焊接的工件的结构特征、焊缝质量以及焊接过程中的应力变形控制要求;
根据所述的结构特征、焊缝质量以及应力变形控制要求确定焊接过程中的工艺参数,所述的工艺参数包括电子束束流数目、束流、形状校核因子、扫描频率、工作电压、聚焦电流;
根据所述的电子束束流数目确定电子束的扫描路径坐标点;
根据所述的扫描路径坐标点生成路径坐标数据;
电子束焊机根据所述的路径坐标数据完成所述工件的焊接过程。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征是,当所述的电子束束流数目为1时,根据所述的扫描路径坐标点生成路径坐标数据具体包括:
将所述的扫描路径坐标点按照坐标点序列递增的顺序进行排列,生成路径坐标数据。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征是,当所述的电子束束流数目不为1时,根据所述的扫描路径坐标点生成路径坐标数据具体包括:
将所述的扫描路径坐标点先按照电子束序列递增的顺序进行排列,再将所述的扫描路径坐标点按照坐标点序列递增的顺序进行排列,生成路径坐标数据。
6.根据权利要求4或5所述的方法,其特征是,电子束焊机根据所述的路径坐标数据完成所述工件的焊接过程具体包括:
将所述的工件置于所述电子束焊机的真空室内;
所述电子束焊机的扫描控制***获取所述的路径坐标数据;
所述电子束焊机根据所述的工艺参数设置控制平台;
所述电子束焊机的电子枪完成焊接过程。
7.一种利用对称电子束焊接轨迹进行焊接的***,其特征是,所述的***具体包括电子束焊机以及路径坐标数据生成装置,
其中,所述的路径坐标数据生成装置具体包括:
工件特征获取模块,用于获取预焊接的工件的结构特征、焊缝质量以及焊接过程中的应力变形控制要求;
工艺参数确定模块,用于根据所述的结构特征、焊缝质量以及应力变形控制要求确定焊接过程中的工艺参数,所述的工艺参数包括电子束束流数目、束流、形状校核因子、扫描频率、工作电压、聚焦电流;
扫描路径坐标点确定模块,用于根据所述的电子束束流数目确定电子束的扫描路径坐标点;
路径坐标数据生成模块,用于根据所述的扫描路径坐标点生成路径坐标数据;
所述的电子束焊机,用于根据所述的路径坐标数据完成所述工件的焊接过程。
10.根据权利要求8所述的***,其特征是,当所述的电子束束流数目为1时,所述的路径坐标数据生成模块具体包括:
第一顺序排列单元,用于将所述的扫描路径坐标点按照坐标点序列递增的顺序进行排列,生成路径坐标数据。
11.根据权利要求9所述的***,其特征是,当所述的电子束束流数目不为1时,所述的路径坐标数据生成模块具体包括:
第二顺序排列单元,用于将所述的扫描路径坐标点先按照电子束序列递增的顺序进行排列;
第三顺序排列单元,用于将所述的扫描路径坐标点按照坐标点序列递增的顺序进行排列,生成路径坐标数据。
12.根据权利要求10或11所述的***,其特征是,所述的电子束焊机具体包括:
真空室,用于放置所述的工件;
扫描控制***,用于获取所述的路径坐标数据;
控制平台,用于根据所述的工艺参数进行设置;
电子枪,用于完成焊接过程。
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