[发明专利]一种电子束深熔焊穿透成形实时监控检测方法

说明书

一种电子束深熔焊穿透成形实时监控检测方法，该监控检测基于总电子束流与背面穿透束流关系规律，通过对规律的研究形成判据来对电子束深熔焊接进行实时监控并形成监控方法；设置焊接参数如电子束流I_w等，并进行焊接；在焊接过程中，通过束流传感采集模块收集实时的穿透束流I₁、I₂。I_c；根据穿流比R_o＝I_c/I_w，计算穿流比R_o；将实时测得的穿透束流I_c与计算所得穿流比R_o在计算机上进行显示。通过该监控方法可以调整工艺参数，从而获得优质的焊缝，在大批量的焊接过程中提高效率。在动态焊接的过程中，通过穿流比判据，可以实时发现焊板上出现焊接缺陷的部位，而这些焊接缺陷一般在焊板上是无法用肉眼观察到的。

技术领域

本发明涉及金属材料加工领域，特别为一整套束流采集显示装置具体是通过实时采集电子束动态焊接时的穿透束流并显示达到对电子束焊接的实时监控装置，所用的检测方法基于总电子束流与背面穿透束流关系规律，通过对规律的研究形成判据来对电子束深熔焊接进行实时监控并形成监控方法。

背景技术

电子束焊接是利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压(25～300kV)加速电场作用下被拉出,并加速到很高的速度(0.3～0.7倍光速)，经一级或二级磁透镜聚焦后,形成密集的高速电子流,当其撞击在工件接缝处时,其动能转换为热能,使材料迅速熔化从而达到焊接的目的。电子束流在焊接材料时，高速的电子在与材料表面接触产生热作用的同时，会有一部分电子向四周发散变成二次电子，而在得到高质量焊缝时还有一些电子会穿过焊缝形成穿透束流。

电子束焊作为一种难焊接材料的焊接方法，在焊接质量控制很好的情况下，可以保证稳定的焊缝质量，从而保证稳定的焊接强度，但如果控制不良，则焊接强度难以持续保证。为了更好的控制电子束焊的焊缝质量，需要对电子束焊接过程进行实时监控。目前，很多研究都集中在聚焦电流，偏转电流和集束极电压上，但这些因素都不能准确体现焊接过程以及焊缝质量。专利(ZL201110181575.4)发明了一种电子束电流品质检测装置，在检测到截面功率密度分布的基础上，运用Marching Cubes算法和三角面片模式对电子束空间功率密度分布进行三维重构，但这种检测电子束流品质的研究是一种间接的监控方法，因此无法对电子束的焊接过程进行实时监控。专利(ZL02153277.X)提出了一种确定电子束焊接参数的方法，通过逐步增大输入束流I_b求出工件传导电流的均值传导比R_a随输入束流I_b的变化曲线，R_a＝I_wp/I_b,得到临界穿透束流I_c，确定焊透状态的焊接束流在I_c≤I_b≤I_c+5％I_c，未焊透状态的焊接束流在I_c-5％I_c≤I_b≤I_c，该方法能够快速找到合适的焊接束流提高效率，但同样无法对电子束的焊接过程进行实时监控。“真空电子束焊机运行质量监控技术研究”(计量与测试技术2015.10.30)提出了利用直流分压器和六位半数字多用表检测加速电压，利用六位半数字多用表与电子束焊机的控制柜的控制模块CRE31/37(I-MON端和0端)相接检测电子束流，但这些因素并不能直接且准确体现焊接过程以及焊缝质量。“电子束焊机穿透束流的监控方法及应用研究”(装备制造技术2015年12期)设计了电子束穿透束流的检测装置对检测穿透束流进行了初步研究，但由于其采集装置与工作台相固定，采用电流表测量等使得穿透束流的测量受焊板长度的影响且精度不高，他根据经验介绍了一些根据穿透束流大小调整工艺参数的方法但都比较笼统，缺乏系统的理论支持，也无法做到焊接过程动态的实时监控。对于激光的穿透焊接，“激光穿透焊温度场及流动场的数值模拟”(激焊接学报2005年26卷12 期)建立了复合热源作用下的激光穿透焊接熔池流动三维计算模型，热源由作用在激光表面的高斯热源以及沿激光入射方向的柱状热源组成，分别考虑了等离子体和小孔吸收机制，该方法揭示了Marangoni对流是形成穿透焊激光焊接“沙漏”状熔池形貌的主要原因，该方法仅对激光穿透焊接进行了模拟因此也无法对动态焊接过程进行实时监控，而激光区别于电子束，无法用电流量作为监控量对整个焊接过程进行实时监控。而目前对等离子的穿透焊接研究的还很少，对等离子焊接的监控一般是通过温度、压力等来实施的，“基于PROFIBUS现场总线的真空等离子焊接监控系统设计”(焊管2010年33卷1 期)利用PROFIBUS总线网络，将各控制、检测部件、监视仪等相连接形成了等离子焊接监控系统。但该系统仅仅能对水、气和电流异常进行报警，对于动态的焊接过程并不能做到实时监控。专利(ZL99119342.3)以焊接电弧的光谱辐射强度作为直接检测量，实现了等离子弧焊过程中从被焊金属构件正面实时检测熔池小孔的行为并且适用于对接焊缝，角焊缝以及丁字形焊缝等等，但该方法并未就小孔的行为与焊接过程与焊缝质量建立起联系，无法对动态的焊接过程进行实时的监控。