CN105904078A - 电子束变焦焊方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电子束变焦焊方法及***，其根据电子束的焊接速度v，选择聚焦励磁电流I变化频率和聚焦励磁电流I变化波形，使得匙孔沿着焊接方向发展的速度与聚焦励磁电流I变化频率趋于同步，即电子束焦点始终位于匙孔的底部或接近匙孔的底部。本发明采用变焦焊，有利于匙孔效应向纵向深度发展。同样的电子束参数采用变焦焊可获得更深的焊缝及更高的焊缝深宽比，有利于提高电子束焊机的焊接性能。

Description

电子束变焦焊方法及***
技术领域
本发明涉及电子束加工技术领域，具体涉及一种电子束变焦焊方法及***。
背景技术
高能量密度的电子束由于束斑直径小、加热区域集中，因而加热速度极快，所获得的峰值温度高，可以迅速达到金属的沸点。当大厚件的电子束焊需要的功率密度已经大于传导焊的临界功率密度105W/cm2时，这种电子束深熔焊的特征就是出现了匙孔效应。目前解释匙孔效应形成机理有两种观点：1.蒸发穿透机制认为束流冲击点处金属的蒸发作用对于深穿透焊接起着决定作用，熔化金属向熔池后沿运动的主要驱动力是汽化反作用力，从而使具有较高蒸汽压的金属或合金有更深的穿透。2.熔化穿透机制认为匙孔是蒸汽压和表面张力梯度引起的向上和向外的熔体流动的共同结果。不管怎样解释，匙孔的形成、维持与稳定，以及匙孔的大小、尺寸、形态及其与电子束和焊接材料的相关性决定了匙孔的特性，而其在焊接过程中的准静态行为及动态行为特性又决定了电子束深熔焊接的质量。
由于电子束包络线在轴向以焦点为界两端呈锥形发散状，而目前大厚件的电子束焊都是采用定焦焊，只有电子束焦点作用在金属时，才能获得最大蒸汽压。因此不管电子束焦点位于焊缝纵向任何固定位置，匙孔在自上而下的生成过程中，电子束焦点绝大部分时间不是位于匙孔的底部，从而减弱了匙孔向纵深发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有深熔焊过程采用的是定焦焊，其电子束焦点不是位于匙孔的底部从而不能充分发挥匙孔效应的问题，提供一种电子束变焦焊方法及***。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种电子束变焦焊方法，根据电子束的焊接速度v，选择聚焦励磁电流I变化频率和聚焦励磁电流I变化波形，使得匙孔沿着焊接方向发展的速度与聚焦励磁电流I变化频率趋于同步，即电子束焦点始终位于匙孔的底部或接近匙孔的底部。
上述电子束变焦焊方法，具体包括步骤如下：
步骤1：根据工件的材料及其焊缝纵向深度工艺要求，由经验或专家数据库选择电子束功率和焊接速度v；
步骤2：根据工件的焊缝的纵向深度及焊缝的表面位置离电子束出口处的高度，确定聚焦装置的聚焦励磁电流I的上限值Imax和下限值Imin；其中聚焦励磁电流I的上限值Imax使得电子束的焦点位于焊缝高位G，聚焦励磁电流I的下限值Imin使得电子束的焦点位于焊缝低位D；
步骤3：根据步骤1选定的焊接速度v，选择聚焦励磁电流I变化频率，使得匙孔沿着焊接方向发展的速度与聚焦励磁电流I变化频率趋于同步，即电子束焦点始终位于匙孔的底部或接近匙孔的底部；
步骤4：选择聚焦励磁电流I变化波形；
步骤5：启动电子束焊机，按选择的焊接工艺参数进行焊接直至结束。
上述方案中，焊缝高位G位于焊缝的上表面至焊缝的中线之间，焊缝低位D位于焊缝的中线至焊缝的下表面之间。
一种电子束变焦焊***，包括电子束发生器、聚焦装置、聚焦电源、中央控制单元、工作台电源和工作台；中央控制单元与聚焦电源和工作台电源相连；聚焦电源连接聚焦装置绕组；工作台电源连接工作台驱动电机；
中央控制单元，产生聚焦励磁电流I控制指令和工作台移动控制指令；同时产生电子束焊机整台设备的控制指令及工作参数检测；
电子束发生器，在中央控制单元的控制下，产生可控的电子束；
聚焦电源，在中央控制单元的控制下，产生可控的聚焦励磁电流I，该聚焦励磁电流I提供给聚焦装置绕组；
聚焦装置，将电子束会汇聚在某一点即焦点，并在可控聚焦励磁电流I的作用下产生可变聚焦励磁电流I，使得电子束的焦点发生上下移动；
工作台电源，在中央控制单元的控制下，产生工作台电动机驱动电源；
工作台，承载工件，在在中央控制单元的控制下，使得工件上的焊缝连续通过电子束。
与现有技术相比，本发明采用变焦焊，匙孔沿着焊接方向发展的速度与聚焦励磁电流I变化频率趋于同步，电子束的焦点始终位于匙孔的底部(或接近底部)，有利于匙孔效应向纵向深度发展。同样的电子束参数采用变焦焊可获得更深的焊缝及更高的焊缝深宽比，有利于提高电子束焊机的焊接性能。
附图说明
图1为电子束变焦焊***的示意图。
图2为图1中工件的剖视图。
图3为一种聚焦励磁电流I波形图。
图4为电子束变焦焊方法的流程图。
图中标记：1、电子束发生装置；2、聚焦装置；3、聚焦电源；4、中央控制单元；5、工作台电源；6、工作台；7、工件；71、焊缝；8、电子束。
具体实施方式
一种电子束变焦焊***，如图1所示，包括电子束发生器1、聚焦装置2、聚焦电源3、中央控制单元4、工作台电源5和工作台6。
电子束发生器1：在中央控制单元4控制下，电子束发生器1产生可控的电子束8。
聚焦装置2：电子束8通过聚焦装置2后，会汇聚在某一点(焦点)。
聚焦电源3：提供聚焦装置2绕组聚焦励磁电流I，通过中央控制单元4控制聚焦励磁电流I变化便可控制电子束8焦点上下移动。
中央控制单元4：产生聚焦励磁电流I控制指令和工作台6移动控制指令；同时产生电子束焊机整台设备的控制指令及工作参数检测。
工作台电源5：提供工作台6电动机驱动电源。
工作台6：承载工件7，在中央控制单元4控制下，工件7上的焊缝71连续通过电子束8。
上述电子束变焦焊***所实现的一种电子束变焦焊方法，如图4所示，包括如下步骤：
步骤1：根据工件7的材料及其焊缝71纵向深度工艺要求，由经验或专家数据库选择电子束8功率和焊接速度v。
步骤2：根据工件7的焊缝71纵向深度及焊缝71表面位置离电子枪电子束8出口处的高度，确定聚焦励磁电流I上下限值。其中聚焦励磁电流I的上限值Imax对应电子束8焦点在图2中焊缝71高位G位，聚焦励磁电流I下限值Imin对应电子束8焦点在图2中焊缝71低位D位。G位位于焊缝71纵向深度上表面至中线之间的某处可选，D位位于焊缝71纵向深度中线至下表面之间的某处可选。
步骤3：根据步骤1选定的焊接速度v，选择聚焦励磁电流I变化频率，即确定图3中周期T，使得匙孔沿着焊接方向发展的速度与聚焦励磁电流I变化频率趋于同步，即电子束8焦点始终位于匙孔的底部(或接近匙孔的底部)。
步骤4：选择聚焦励磁电流I变化波形，图3中给出了一种锯齿波的聚焦励磁电流I波形，也可选用其它波形的聚焦励磁电流I波形。
步骤5：启动电子束焊机，按选择的焊接工艺参数进行焊接直至结束。

Claims (4)

1.一种电子束变焦焊方法，其特征是，根据电子束(8)的焊接速度v，选择聚焦励磁电流I变化频率和聚焦励磁电流I变化波形，使得匙孔沿着焊接方向发展的速度与聚焦励磁电流I变化频率趋于同步，即电子束(8)焦点始终位于匙孔的底部或接近匙孔的底部。
2.根据权利要求1所述的一种电子束变焦焊方法，其特征是，具体包括如下步骤：
步骤1：根据工件(7)的材料及其焊缝(71)纵向深度工艺要求，由经验或专家数据库选择电子束(8)功率和焊接速度v；
步骤2：根据工件(7)的焊缝(71)的纵向深度及焊缝(71)的表面位置离电子束(8)出口处的高度，确定聚焦装置(2)的聚焦励磁电流I的上限值Imax和下限值Imin；其中聚焦励磁电流I的上限值Imax使得电子束(8)的焦点位于焊缝(71)高位G，聚焦励磁电流I的下限值Imin使得电子束(8)的焦点位于焊缝(71)低位D；
步骤3：根据步骤1选定的焊接速度v，选择聚焦励磁电流I变化频率，使得匙孔沿着焊接方向发展的速度与聚焦励磁电流I变化频率趋于同步，即电子束(8)焦点始终位于匙孔的底部或接近匙孔的底部；
步骤4：选择聚焦励磁电流I变化波形；
步骤5：启动电子束焊机，按选择的焊接工艺参数进行焊接直至结束。
3.根据权利要求2所述的一种电子束变焦焊方法，其特征是，焊缝(71)高位G位于焊缝(71)的上表面至焊缝(71)的中线之间，焊缝(71)低位D位于焊缝(71)的中线至焊缝(71)的下表面之间。
4.基于权利要求1的方法所设计的一种电子束变焦焊***，其特征是，包括电子束发生器(1)、聚焦装置(2)、聚焦电源(3)、中央控制单元(4)、工作台电源(5)和工作台(6)；中央控制单元(4)与聚焦电源(3)和工作台电源(5)；聚焦电源(3)连接聚焦装置(2)绕组；工作台电源(5)连接工作台(6)电动机；
中央控制单元(4)，产生聚焦励磁电流I控制指令和工作台(6)移动控制指令；同时产生电子束焊机整台设备的控制指令及工作参数检测；
电子束发生器(1)，在中央控制单元(4)的控制下，产生可控的电子束(8)；
聚焦电源(3)，在中央控制单元(4)的控制下，产生可控的聚焦励磁电流I，该聚焦励磁电流I提供给聚焦装置(2)绕组；
聚焦装置(2)，将电子束(8)会汇聚在某一点即焦点，并在可控聚焦励磁电流I的作用下，使得电子束(8)的焦点发生上下移动；
工作台电源(5)，在中央控制单元(4)的控制下，产生电动机驱动电源；
工作台(6)，承载工件(7)，由电动机驱动工作台(6)移动，使得工件(7)上的焊缝(71)连续通过电子束(8)。
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