[發明專利]一種電子束深熔焊穿透成形實時監控檢測方法

有效

• 申請號: 201611208771.5
• 申請日: 2016-12-23
• 公開（公告）號: CN107214409B
• 公開（公告）日: 2020-01-24
• 發明（設計）人: 周琦;陳鑫;彭勇;李洪強;王克鴻;孔見;黃俊;郭順;張天齊
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: B23K15/00
• 分類號: B23K15/00;G01R31/00
• 代理公司: 32203 南京理工大學專利中心
• 代理人: 鄒偉紅

一種電子束深熔焊穿透成形實時監控檢測方法，該監控檢測基于總電子束流與背面穿透束流關系規律，通過對規律的研究形成判據來對電子束深熔焊接進行實時監控并形成監控方法；設置焊接參數如電子束流I_w等，并進行焊接；在焊接過程中，通過束流傳感采集模塊收集實時的穿透束流I₁、I₂。I_c；根據穿流比R_o＝I_c/I_w，計算穿流比R_o；將實時測得的穿透束流I_c與計算所得穿流比R_o在計算機上進行顯示。通過該監控方法可以調整工藝參數，從而獲得優質的焊縫，在大批量的焊接過程中提高效率。在動態焊接的過程中，通過穿流比判據，可以實時發現焊板上出現焊接缺陷的部位，而這些焊接缺陷一般在焊板上是無法用肉眼觀察到的。

技術領域

本發明涉及金屬材料加工領域，特別為一整套束流采集顯示裝置具體是通過實時采集電子束動態焊接時的穿透束流并顯示達到對電子束焊接的實時監控裝置，所用的檢測方法基于總電子束流與背面穿透束流關系規律，通過對規律的研究形成判據來對電子束深熔焊接進行實時監控并形成監控方法。

背景技術

電子束焊接是利用電子槍中陰極所產生的電子在陰陽極間的高壓(25～300kV)加速電場作用下被拉出,并加速到很高的速度(0.3～0.7倍光速)，經一級或二級磁透鏡聚焦后,形成密集的高速電子流,當其撞擊在工件接縫處時,其動能轉換為熱能,使材料迅速熔化從而達到焊接的目的。電子束流在焊接材料時，高速的電子在與材料表面接觸產生熱作用的同時，會有一部分電子向四周發散變成二次電子，而在得到高質量焊縫時還有一些電子會穿過焊縫形成穿透束流。

電子束焊作為一種難焊接材料的焊接方法，在焊接質量控制很好的情況下，可以保證穩定的焊縫質量，從而保證穩定的焊接強度，但如果控制不良，則焊接強度難以持續保證。為了更好的控制電子束焊的焊縫質量，需要對電子束焊接過程進行實時監控。目前，很多研究都集中在聚焦電流，偏轉電流和集束極電壓上，但這些因素都不能準確體現焊接過程以及焊縫質量。專利(ZL201110181575.4)發明了一種電子束電流品質檢測裝置，在檢測到截面功率密度分布的基礎上，運用Marching Cubes算法和三角面片模式對電子束空間功率密度分布進行三維重構，但這種檢測電子束流品質的研究是一種間接的監控方法，因此無法對電子束的焊接過程進行實時監控。專利(ZL02153277.X)提出了一種確定電子束焊接參數的方法，通過逐步增大輸入束流I_b求出工件傳導電流的均值傳導比R_a隨輸入束流I_b的變化曲線，R_a＝I_wp/I_b,得到臨界穿透束流I_c，確定焊透狀態的焊接束流在I_c≤I_b≤I_c+5％I_c，未焊透狀態的焊接束流在I_c-5％I_c≤I_b≤I_c，該方法能夠快速找到合適的焊接束流提高效率，但同樣無法對電子束的焊接過程進行實時監控。“真空電子束焊機運行質量監控技術研究”(計量與測試技術2015.10.30)提出了利用直流分壓器和六位半數字多用表檢測加速電壓，利用六位半數字多用表與電子束焊機的控制柜的控制模塊CRE31/37(I-MON端和0端)相接檢測電子束流，但這些因素并不能直接且準確體現焊接過程以及焊縫質量。“電子束焊機穿透束流的監控方法及應用研究”(裝備制造技術2015年12期)設計了電子束穿透束流的檢測裝置對檢測穿透束流進行了初步研究，但由于其采集裝置與工作臺相固定，采用電流表測量等使得穿透束流的測量受焊板長度的影響且精度不高，他根據經驗介紹了一些根據穿透束流大小調整工藝參數的方法但都比較籠統，缺乏系統的理論支持，也無法做到焊接過程動態的實時監控。對于激光的穿透焊接，“激光穿透焊溫度場及流動場的數值模擬”(激焊接學報2005年26卷12 期)建立了復合熱源作用下的激光穿透焊接熔池流動三維計算模型，熱源由作用在激光表面的高斯熱源以及沿激光入射方向的柱狀熱源組成，分別考慮了等離子體和小孔吸收機制，該方法揭示了Marangoni對流是形成穿透焊激光焊接“沙漏”狀熔池形貌的主要原因，該方法僅對激光穿透焊接進行了模擬因此也無法對動態焊接過程進行實時監控，而激光區別于電子束，無法用電流量作為監控量對整個焊接過程進行實時監控。而目前對等離子的穿透焊接研究的還很少，對等離子焊接的監控一般是通過溫度、壓力等來實施的，“基于PROFIBUS現場總線的真空等離子焊接監控系統設計”(焊管2010年33卷1 期)利用PROFIBUS總線網絡，將各控制、檢測部件、監視儀等相連接形成了等離子焊接監控系統。但該系統僅僅能對水、氣和電流異常進行報警，對于動態的焊接過程并不能做到實時監控。專利(ZL99119342.3)以焊接電弧的光譜輻射強度作為直接檢測量，實現了等離子弧焊過程中從被焊金屬構件正面實時檢測熔池小孔的行為并且適用于對接焊縫，角焊縫以及丁字形焊縫等等，但該方法并未就小孔的行為與焊接過程與焊縫質量建立起聯系，無法對動態的焊接過程進行實時的監控。