CN109865929A - 一种箱体结构回型焊缝的电子束焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种箱体结构回型焊缝的电子束焊接方法。采用定枪式电子枪，其特征在于，所述焊接方法包括：基于箱体结构的回型焊缝划分出4个平直段和4个圆角段，其中，每两个平直段间隔一个圆角段，所述回型焊缝的焊接起始点从平直段或者圆角段开始，在进行平直段焊接时，将箱体结构进行匀速平移，在进行圆角段焊接时，将箱体结构同时做变速平移和匀速转动运动，从而控制其实际焊接速度，使圆角段的焊接速度与平直段的焊接速度相当，将箱体结构的整体焊缝匀速焊接完成。
Description
技术领域
本发明涉及电子束加工技术领域，特别是涉及一种箱体结构回型焊缝的电子束焊接方法。
背景技术
电子束焊接设备一般可分为定枪式和动枪式，定枪式电子束焊接设备只能通过工作台的平动或转动运动实现工件焊接，因此可以焊接任意形状的平面焊缝，或圆形赤道环焊缝，并且，结合聚焦电流动态调整和变截面焊接技术还可以实现空间曲线形式焊缝的焊接；而动枪式设备的电子枪可以进行一定程度的平动运动，配合工作台的运动，也可以实现上述形式焊缝的焊接，并且可以解决因工件尺寸大导致电子枪无法到达焊缝位置的问题。
目前电子束焊接可以完成平面、空间曲线以及圆形赤道焊缝的焊接。而对于箱体结构回型焊缝来讲，在焊接过程中，零件运动规律复杂，导致焊缝与电子枪之间的距离不断变化，而电子束焊接参数又需要依据零件的运动规律而定，因此使得焊接参数的调整变得极其复杂，无法实现焊缝质量及性能的均匀、统一。
因此，发明人提出了一种箱体结构回型焊缝的电子束焊接方法。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种箱体结构回型焊缝的电子束焊接方法，实现箱体结构回型焊缝的自动化焊接。
本发明的实施例提出了一种箱体结构回型焊缝的电子束焊接方法，该方法包括：基于箱体结构的回型焊缝划分出4个平直段和4个圆角段，其中，每两个平直段间隔一个圆角段，所述回型焊缝的焊接起始点从平直段或者圆角段开始，在进行平直段焊接时，将箱体结构进行匀速平移，在进行圆角段焊接时，将箱体结构同时做变速平移和匀速转动运动，从而控制其实际焊接速度，使圆角段的焊接速度与平直段的焊接速度相当，将箱体结构的整体焊缝匀速焊接完成。
进一步地，所述平直段的焊接方法为：基于每段平直段与电子枪的不同距离，以及每段平直段长度，通过调整电子束焊接工艺参数，将所有平直段均构建出相同的焊缝截面形貌、内部质量以及力学性能，以满足箱体结构的整条焊缝性能的一致性。
进一步地，需要调整的电子束焊接工艺参数包括，加速电压、聚焦电流、焊接束流和焊接速度。
进一步地，所述圆角段的焊接方法为：在平直段焊接过渡到圆角段焊接时，需平移箱体结构以调整所述圆角段的圆心位置，使圆角段的圆心位置一直处于电子束流的延长线上，在焊接圆角段的圆弧焊缝时，需匀速转动箱体结构，使电子束斑匀速经过圆角段进行焊接。
进一步地，在焊接圆角段的圆弧焊缝时，箱体结构的匀速转动速度为ω，ω＝v/r，其中v为平直段的焊接速度，r为圆角段半径。
进一步地，圆角段的角度为90°，在焊接圆角段时，将该圆角段平均分为n段，平均每段需转动的角度为90°/n，每段位移的运动时间均相同，根据箱体结构外形特征，得到每段在相应转动时箱体转轴的平移距离，然后根据n段中每段转过的角度90°/n，以及箱体转轴的平移距离、运动速度，对圆角段的运动进行程序设定，获得平直段和圆角段焊接的联动轨迹。
进一步地，所述箱体结构夹装在多自由度运动的焊接装置上，所述箱体结构在焊接时，可在所述焊接装置的驱动作用下竖向升降运动、横向平移以及绕轴转动，并且回型焊缝处于所述电子束流延长方向。
进一步地，所述焊接装置包括运动平台、支撑柱体和转台，所述支撑柱体可水平移动地安装所述运动平台上，所述转台可转动的安装在所述支撑柱体上，所述箱体结构通过三抓卡盘夹装在所述转台上。
综上，通过箱体结构回型焊缝的电子束焊接方法，通过让待焊的箱体结构根据平直段和圆角段的特征，以适应不同焊接段的特定方式运动，能够得到最优化的焊接路径，减小了焊接工艺参数调整的难度；同时，按照零件在这种运动方式下的规律，能够进行焊接工艺参数优化，以得到内部质量和各项性能均匀、统一的焊缝。这样一来，将平直段和圆角段的焊接轨迹进行联动，简化了焊接难度，焊接工艺优化弥补零件运动过程中参数变化带来的不稳定，两者相互协调，相互控制，实现零件的焊接制造。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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是本发明实施例的一种箱体结构回型焊缝焊接场景示意图。
图2(a)是箱体结构回型焊缝的平直段示意图。
图2(b)是箱体结构回型焊缝的圆角段示意图。
图3是焊缝圆角段的圆心在束流延长线上运动时平动与转动匹配示意图。
图4是箱体结构的转轴与4段圆角段的圆心位置关系示意图。
图5是箱体结构转过a角度时，转轴与圆角段圆心的连线的位置变化。
图6是本发明实施例的一种箱体结构的回型焊缝相关尺寸及焊接顺序示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1是本发明实施例的一种箱体结构回型焊缝焊接场景示意图。如图1所示，采用定枪式电子枪，箱体结构夹装在多自由度运动的焊接装置上，该箱体结构在焊接时，可在焊接装置的驱动作用下竖向升降运动、横向平移以及绕轴转动，并且箱体结构赤道方向上的回型焊缝处于电子束流的延长方向。该焊接装置包括运动平台、支撑柱体和转台，所述支撑柱体可水平移动地安装所述运动平台上，所述转台可转动的安装在所述支撑柱体上，所述箱体结构通过三抓卡盘夹装在所述转台上。
参见图1所示的场景示意图，本发明的一种箱体结构回型焊缝的电子束焊接方法，采用定枪式电子枪发射电子束流，该焊接方法包括：基于箱体结构的回型焊缝划分出4个平直段和4个圆角段，其中，每两个平直段间隔一个圆角段，所述回型焊缝的焊接起始点从平直段或者圆角段开始，在进行平直段焊接时，将箱体结构进行匀速平移，在进行圆角段焊接时，将箱体结构同时做变速平移和匀速转动运动，从而控制其实际焊接速度，使圆角段的焊接速度与平直段的焊接速度相当，将箱体结构的整体焊缝匀速焊接完成。
具体地，所述平直段的焊接方法为：基于每段平直段与电子枪的不同距离，以及每段平直段长度，通过调整电子束焊接工艺参数，将所有平直段均构建出相同的焊缝截面形貌、内部质量以及力学性能，以满足箱体结构的整条焊缝性能的一致性。其中，需要调整的电子束焊接工艺参数包括，加速电压、聚焦电流、焊接束流和焊接速度。
此外，所述圆角段的焊接方法为：在平直段焊接过渡到圆角段焊接时，需平移箱体结构以调整所述圆角段的圆心位置，使圆角段的圆心位置一直处于电子束流的延长线上，在焊接圆角段的圆弧焊缝时，需匀速转动箱体结构，使电子束斑匀速经过圆角段进行焊接。其中，在焊接圆角段的圆弧焊缝时，箱体结构的匀速转动速度为ω，ω＝v/r，其中v为平直段的焊接速度，r为圆角段半径。该实施例中圆角段的角度为90°，在焊接圆角段时，将该圆角段平均分为n段，平均每段需转动的角度为90°/n，每段位移的运动时间均相同，根据箱体结构外形特征，得到每段在相应转动时箱体转轴的平移距离，然后根据n段中每段转过的角度90°/n，以及箱体转轴的平移距离、运动速度，对圆角段的运动进行程序设定，获得平直段和圆角段焊接的联动轨迹。
由该回型焊缝的形状可知，在焊接过程中，电子束焊接工艺参数是动态变化的，而每段圆角段的起点与前一段平直段相连，终点与后一段平直段相连，并且，由于每段平直段与电子枪距离不同，因此，圆角段焊缝的工艺参数实际上是从前一段平直段的工艺参数按一定规律向后一段平直段工艺参数的动态过渡。
具体方法是：
(1)在焊接过程中，由于电子枪为定枪式，因此箱体结构的工件进行匀速平移即可完成平直段焊缝的焊接；而圆角段焊缝则需要通过变速平移匹配匀速转动的方式来实现对实际焊接速度的控制，使其焊接速度与平直段焊缝的焊接速度相当，从而实现整条焊缝的匀速焊接。
参见图2(a)的平直段焊缝：首先需通过焊接工艺优化得到该平直段焊缝的焊接工艺，要求焊缝表面质量良好，正、反面成形良好，内部质量满足相关技术要求。焊接时使零件平移即可完成平直段焊缝的焊接。
参见图2(b)的圆角段焊缝：工作台需要带动箱体结构进行平动来调整圆角段圆心位置，使其一直在束流的延长线上运动，而转轴只需要保持匀速，这样匹配下来的运动就可以使电子束斑匀速经过圆角段进行焊接。圆角段的圆心在电子束流延长线上运动时的示意图参见图3所示。
由于已经获得了满足要求的平直段焊接工艺，因此按照平直段的焊接速度v来设定工件的转动速度ω，即v＝ωr，式中r为圆角段半径。
而工件的平动为变速运动，因此需要找到转轴位移与时间的关系，具体方法如下：工件的转轴与4段圆角段的圆心位置关系参见图4所示，其中A点为箱体结构的转轴，B、C、D、E分别为1、2、3、4号圆角段的圆心。4段圆角与转轴的相对位置各不相同，以第一段圆角为例。将转轴与圆角段圆心连线，如图5所示。设AB与x轴夹角为m，A点坐标为(0，0)，B点坐标为(l，s)，A’点坐标为(x，y)；红线A’B’为AB线段以A点为圆心转动了a角度并沿x轴移动了某一距离后得到的线段。那么，可以得到关于x的等式，
当时，x＝l-AB·cos(m+a)
当时，
其中AB的长度为工件转轴与圆角段圆心B点的实际距离。
由上述公式可以得出转轴在转动了a角度后，为了使圆角段圆心B始终处于束流延长线上，所需要平动的距离x。又由于工件匀速转动，所以转过a角度的时间为a/ω，即a*r/v，所以上述等式又可以写作
当时，
当时，
式中t为工件转过a角度时经历的时间。
通过上述方法，可以得到焊接第二段、第三段和第四段圆角时转轴的位移与时间的关系。
(2)根据直角段与圆角段的联动运动程序编写焊接轨迹
(a)对于平直段焊接：使用优化后的电子束焊接工艺参数，设定工件移动距离和移动速度，通过工件的匀速直线运动，完成焊接；
(b)对于圆角段焊接：同样以第一段圆角为例，圆角段角度为90°，将其平均分为n段，每段转过的角度即为90°/n，所以，当转过时，转轴位移当转过时，转轴位移 当转过时，转轴位移
……
因此，每转过90°/n时，转轴的位移为x2-x1，x3-x2，x4-x3，……，xn-x(n-1)，且每段位移经历的时间相同。根据圆角段每段转过的角度，以及在这段时间内转轴的位移、运动速度就可以对圆角段的运动进行程序设定，从而完成联动轨迹。
(3)电子束焊接工艺优化
由该焊缝的形状可知，在焊接过程中，电子束焊接工艺参数是动态变化的，而每段圆角段的起点与前一段平直段相连，终点与后一段平直段相连，并且，由于每段平直段与电子枪距离不同，因此，圆角段焊缝的工艺参数实际上是从前一段平直段的工艺参数按一定规律向后一段平直段工艺参数的动态过渡。
在焊接前先要完成整条焊缝的电子束焊接工艺优化，优化方法如下：
(a)平直段焊接优化：由于每段平直段与电子枪距离不同，因此需要根据其距离进行相应焊接工艺的优化。方法是：通过调整不同的电子束焊接工艺参数(如加速电压、聚焦电流、焊接束流、焊接速度等)，得到相同的焊缝截面形貌、内部质量及力学性能，以保证整条焊缝性能的一致性。
(b)圆角段焊接优化：首先将圆角段分为n段，分段方法与计算运动轨迹时相同，然后计算出每段圆角段焊缝距电子枪的距离，并且求出在转动过程中，其距离与时间之间的变化规律，之后对不同距离下的电子束焊接的工艺参数进行优化，得到一系列距离下等效的焊接工艺参数(参数的变化主要以聚焦电流为主)，这样就得到了动态变化过程中，焊接工艺参数与时间之间的变化规律。
以第一段圆角段为例，焊缝距电子枪的距离与时间的变化关系为：
计算公式时的示意图见图5，式中，H1为第一段平直段焊缝距电子枪的距离，m为AB与x轴的原始角度，v为焊接速度，t为时间，s为圆角段圆心距x轴的距离，r为圆角段半径。
将圆角段分为n段后，即可获得焊接每1/n段的焊缝与电子枪之间的距离：
当转过时，焊缝距电子枪距离
当转过时，焊缝距电子枪距离
当转过时，焊缝距电子枪距离
……
在这些距离下进行电子束焊接工艺优化，得到不同焊接高度时性能、质量相同的焊缝，最后，可在自动化焊接程序中输入每段的运动参数以及相对应的焊接参数，就可以通过联动轨迹与焊接工艺的协调控制方法，实现箱体结构回型焊缝的自动化焊接。
结合本发明的方法和附图，以下实施例采用6mm厚TC4-DT钛合金工件，其赤道环焊缝尺寸见图6，实现电子束焊接的实际过程为：
(1)根据焊接工艺优化试验结果，将加速电压设定为100kV，焊接速度定为5mm/s，焊接束流设定为16mA，四段平行段焊缝采用的聚焦电流依次是：1746mA，2135mA，1920mA，2055mA，四段圆角段焊缝采用的聚焦电流依次是：1746～2135mA，2135～1920mA，1920～2055mA和2055～1746mA。
(2)参见图6所示，以①～⑧代表不同位置的焊缝，规定工件向左运动为-x方向，向右则为+x方向，焊接圆角段时，将每个圆角段均分为9段，每段10°，工件以0.05rad/s的角速度逆时针旋转。整个焊接过程按①～⑧的顺序进行。
(3)首先使工件沿-x方向移动306mm，加速电压设定为100kV，焊接速度5mm/s，焊接束流16mA，聚焦电流1746mA。
(4)使工件以0.05rad/s的角速度逆时针旋转90°，同时，每隔3.49s工件沿+x方向依次移动15.12mm，19.55mm，23.39mm，26.52mm，28.84mm，30.29mm，30.81mm，30.4mm，29.07mm；焊接速度依次为4.3mm/s，5.6mm/s，6.7mm/s，7.6mm/s，8.3mm/s，8.7mm/s，8.8mm/s，8.7mm/s，8.3mm/s；聚焦电流依次为1864mA，1968mA，2056mA，2124mA，2172mA，2197mA，2198mA，2176mA，2135mA；加速电压、焊接束流保持不变。
(5)使工件沿-x方向移动185mm，加速电压、焊接束流保持不变，焊接速度5mm/s，聚焦电流2135mA。
(6)使工件以0.05rad/s的角速度逆时针旋转90°，同时，每隔3.49s工件沿+x方向依次移动29.66mm，32.16mm，33.69mm，34.19mm，33.65mm，32.09mm，29.55mm，26.12mm，21.89mm，焊接速度依次为8.5mm/s，9.2mm/s，9.7mm/s，9.8mm/s，9.6mm/s，9.2mm/s，8.5mm/s，7.5mm/s，6.3mm/s；聚焦电流依次为2206mA，2256mA，2282mA，2281mA，2256mA，2203mA，2128mA，2032mA，1920mA；加速电压、焊接束流保持不变。
(7)使工件沿-x方向移动306mm，加速电压、焊接束流保持不变，焊接速度5mm/s，聚焦电流1920mA。
(8)使工件以0.05rad/s的角速度逆时针旋转90°，同时，每隔3.49s工件沿+x方向依次移动21.65mm，25.4mm，28.38mm，30.49mm，31.68mm，31.9mm，31.16mm，29.47mm，26.88mm，焊接速度依次为6.2mm/s，7.3mm/s，8.1mm/s，8.7mm/s，9.1mm/s，9.1mm/s，8.9mm/s，8.4mm/s，7.7mm/s；聚焦电流依次为2020mA，2104mA，2168mA，1773mA，2228mA，2221mA，2191mA，2137mA，2055mA；加速电压、焊接束流保持不变。
(9)使工件沿-x方向移动185mm，加速电压、焊接束流保持不变，焊接速度5mm/s，聚焦电流2055mA。
(10)使工件以0.05rad/s的角速度逆时针旋转90°，同时，每隔3.49s工件沿+x方向依次移动26.29mm，27.71mm，28.28mm，28mm，26.87mm，24.92mm，22.21mm，18.83mm，14.88mm，焊接速度依次为7.5mm/s，7.9mm/s，8.1mm/s，8.0mm/s，7.7mm/s，7.1mm/s，6.4mm/s，5.4mm/s，4.3mm/s；聚焦电流依次为2107mA，2132mA，2136mA，2118mA，2079mA，2021mA，1944mA，1852mA，1746mA；加速电压、焊接束流保持不变。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。
Claims (8)
1.一种箱体结构回型焊缝的电子束焊接方法，采用定枪式电子枪，其特征在于，所述焊接方法包括：
基于箱体结构的回型焊缝划分出4个平直段和4个圆角段，其中，每两个平直段间隔一个圆角段，所述回型焊缝的焊接起始点从平直段或者圆角段开始，在进行平直段焊接时，将箱体结构进行匀速平移，在进行圆角段焊接时，将箱体结构同时做变速平移和匀速转动运动，从而控制其实际焊接速度，使圆角段的焊接速度与平直段的焊接速度相当，将箱体结构的整体焊缝匀速焊接完成。
2.根据权利要求1所述的箱体结构回型焊缝的电子束焊接方法，其特征在于，所述平直段的焊接方法为：基于每段平直段与电子枪的不同距离，以及每段平直段长度，通过调整电子束焊接工艺参数，将所有平直段均构建出相同的焊缝截面形貌、内部质量以及力学性能，以满足箱体结构的整条焊缝性能的一致性。
3.根据权利要求2所述的箱体结构回型焊缝的电子束焊接方法，其特征在于，需要调整的电子束焊接工艺参数包括，加速电压、聚焦电流、焊接束流和焊接速度。
4.根据权利要求1所述的箱体结构回型焊缝的电子束焊接方法，其特征在于，所述圆角段的焊接方法为：在平直段焊接过渡到圆角段焊接时，需平移箱体结构以调整所述圆角段的圆心位置，使圆角段的圆心位置一直处于电子束流的延长线上，在焊接圆角段的圆弧焊缝时，需匀速转动箱体结构，使电子束斑匀速经过圆角段进行焊接。
5.根据权利要求4所述的箱体结构回型焊缝的电子束焊接方法，其特征在于，在焊接圆角段的圆弧焊缝时，箱体结构的匀速转动速度为ω，ω＝v/r，其中v为平直段的焊接速度，r为圆角段半径。
6.根据权利要求5所述的箱体结构回型焊缝的电子束焊接方法，其特征在于，圆角段的角度为90°，在焊接圆角段时，将该圆角段平均分为n段，平均每段需转动的角度为90°/n，每段位移的运动时间均相同，根据箱体结构外形特征，得到每段在相应转动时箱体转轴的平移距离，然后根据n段中每段转过的角度90°/n，以及箱体转轴的平移距离、运动速度，对圆角段的运动进行程序设定，获得平直段和圆角段焊接的联动轨迹。
7.根据权利要求1-6任一项所述的箱体结构回型焊缝的电子束焊接方法，其特征在于，所述箱体结构夹装在多自由度运动的焊接装置上，所述箱体结构在焊接时，可在所述焊接装置的驱动作用下竖向升降运动、横向平移以及绕轴转动，并且回型焊缝处于所述电子束流延长方向。
8.根据权利要求7所述的箱体结构回型焊缝的电子束焊接方法，其特征在于，所述焊接装置包括运动平台、支撑柱体和转台，所述支撑柱体可水平移动地安装所述运动平台上，所述转台可转动的安装在所述支撑柱体上，所述箱体结构通过三抓卡盘夹装在所述转台上。
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