電子束焊接過(guò)程束流品質(zhì)的調(diào)控技術(shù)

滕文華，余 洋，沈顯峰，張偉超

（中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng)621900）

電子束焊接過(guò)程束流品質(zhì)的調(diào)控技術(shù)

滕文華，余 洋，沈顯峰，張偉超

（中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng)621900）

研究到達(dá)工件前的束流品質(zhì)，束流品質(zhì)的量化表征是通過(guò)基于二次電子的間接測(cè)量方式和基于能量密度測(cè)試傳感器的直接測(cè)量方式相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)自動(dòng)束流對(duì)心和矯形程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)束流品質(zhì)偏移距離和形貌因子兩個(gè)表征參數(shù)的調(diào)控，并使其達(dá)到最優(yōu)。研究電壓、束流、聚焦電流等電子束焊接工藝參數(shù)與束流的三維能量分布指標(biāo)的內(nèi)在聯(lián)系。通過(guò)建立的二次方模型，利用Design-Expert軟件優(yōu)化（Optimization）模塊不僅可以預(yù)測(cè)不同電參數(shù)作用下的四個(gè)表征參數(shù)的具體數(shù)值，而且能根據(jù)設(shè)定的四個(gè)表征參數(shù)推算出三個(gè)電控參數(shù)的優(yōu)化方案，選擇期望度最大的一組電控參數(shù)值作為調(diào)控的基本參數(shù)。在此基礎(chǔ)上利用電子束能量直接測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行電控參數(shù)的微調(diào)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)四個(gè)三維特征參量的變化，直至達(dá)到調(diào)控的預(yù)定值。

電子束焊；束流品質(zhì)；調(diào)控

0 前言

在電子束焊接中，調(diào)整加速電壓、束流、聚焦電流，實(shí)際上是改變到達(dá)工件表面的電子束束流能量密度分布、束流形貌，即束流品質(zhì)，以滿足焊縫質(zhì)量要求。電子束束流品質(zhì)不僅與主要電參數(shù)有關(guān)，而且與陰極狀態(tài)、設(shè)備機(jī)械特性、電磁特性、聚焦系統(tǒng)性能均有關(guān)系，更換陰極、陰極耗損等情況會(huì)造成陰極電子發(fā)射能力變化，電子束焊接設(shè)備的機(jī)械特性、電磁特性以及聚焦系統(tǒng)性能也會(huì)發(fā)生一些改變，這些都會(huì)引起到達(dá)工件表面的束流品質(zhì)波動(dòng)，束流品質(zhì)的波動(dòng)是造成焊縫質(zhì)量重復(fù)性變差的直接原因[1]。

束流品質(zhì)的量化表征（見(jiàn)表1）是通過(guò)兩種檢測(cè)方式的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，采用基于二次電子的間接測(cè)量方式能夠較全面地描述工作距離表面處的整個(gè)電子束的二維形貌（見(jiàn)圖1），量化指標(biāo)包括束流對(duì)心指標(biāo)和形貌指標(biāo)；采用能量密度測(cè)試傳感器的

直接測(cè)量方式可以給出工作距離上一個(gè)截面處的電子束空間分布的形貌（見(jiàn)圖2），量化指標(biāo)包括上部寬度、中部寬度、下部寬度、峰值能量。

表1 束流品質(zhì)的量化表征參數(shù)

圖1 二維束流分布形貌

圖2 電子束能量分布波形

1 束流對(duì)心指標(biāo)和形貌指標(biāo)的調(diào)控

束流對(duì)心指標(biāo)和形貌指標(biāo)涉及偏移距離和形狀因子兩個(gè)量化表證參數(shù)，其對(duì)應(yīng)的調(diào)控過(guò)程是電子束的對(duì)心和矯形，也是所有電子束焊接在實(shí)施焊接前必須首先要做的過(guò)程。束流的對(duì)心和矯形過(guò)程是利用電子槍的內(nèi)部偏轉(zhuǎn)線圈（見(jiàn)圖3右側(cè)）上疊加的一個(gè)為x和y方向上的靜態(tài)磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)由兩對(duì)相互垂直的偏轉(zhuǎn)線圈組成，通過(guò)調(diào)整兩組線圈的數(shù)量不等、方向可調(diào)的恒定電流時(shí)，完成電子束束流的對(duì)心和矯形。該磁場(chǎng)的電控參數(shù)有四個(gè)，即對(duì)中線圈參數(shù)LZX、LZY，矯形線圈參數(shù)LSX、LSY，其調(diào)控的束流品質(zhì)的量化表征參數(shù)分別對(duì)應(yīng)著偏移距離和形貌因子。

圖3 電子槍工作原理

束流的對(duì)心和矯形過(guò)程通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)，最終將獲得兩個(gè)特征值均較理想的電子束束流品質(zhì)。為驗(yàn)證對(duì)中和矯形的準(zhǔn)確性，選取如表2所示的基本參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。在四組不同的對(duì)中線圈參數(shù)及矯形線圈參數(shù)條件下（A1：LSX=134，LSY=130.2，LZX= 53.8，LZY=-128.8；A2：LSX=34，LSY=35.4，LZX=153.8，LZY=-26.4；A3：LSX=-66，LSY=35.4，LZX=253.8，LZY=-26.4；A4：LSX=84，LSY=80.4，LZX=103.8，LZY=-84），逐步改變聚焦電流，獲取相應(yīng)工況下的二次電子圖像，并提取其表征參數(shù)，其中A1組的LSX、LSY、LZX、LZY為通過(guò)執(zhí)行數(shù)控程序完成自動(dòng)對(duì)心和矯形后的設(shè)定數(shù)值。

表2 電子束主要焊接參數(shù)

形狀因子隨聚焦電流變化的關(guān)系如圖4所示，形狀因子表示束斑在圓周的均勻性，形狀因子隨聚焦電流變化的規(guī)律性很強(qiáng)，在四種不同的線圈參數(shù)下，都是在最佳聚焦位置附近的形狀因子特征也最好。由圖4可知，A1和A4的形狀因子參數(shù)明顯優(yōu)于A2和A3，主要表現(xiàn)在前者數(shù)值上優(yōu)且隨聚焦電流變化慢。圖5和圖6為中心點(diǎn)坐標(biāo)x、y隨聚焦電流變化的關(guān)系。理論中心點(diǎn)坐標(biāo)位于點(diǎn)（264，264），A1組的中心點(diǎn)坐標(biāo)與理論中心點(diǎn)坐標(biāo)最為接近，且隨聚焦電流的變化其數(shù)值的波動(dòng)最小。偏移距離隨聚焦電流變化的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知，隨著聚焦電流的增加，在四種不同的線圈參數(shù)下，圖像的中心點(diǎn)趨向于一致，這主要與聚焦電流越大、束流的挺度越強(qiáng)越不受線圈參數(shù)的影響有關(guān)；由圖7還可知，四種不同的線圈參數(shù)中，A1組的偏移距離

值最小，隨聚焦電流變化波動(dòng)最小，由此可以看出其優(yōu)劣順序?yàn)锳1、A4、A2、A3，這與形狀因子的分析結(jié)果也一致。綜上所述，自動(dòng)束流對(duì)心和矯形程序能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)束流品質(zhì)偏移距離和形貌因子兩個(gè)表征參數(shù)的調(diào)控，并使其達(dá)到最好，調(diào)控結(jié)果可信。

圖4 形狀因子隨聚焦電流變化的關(guān)系

圖5 中心點(diǎn)坐標(biāo)x隨聚焦電流變化的關(guān)系

圖6 中心點(diǎn)坐標(biāo)y隨聚焦電流變化的關(guān)系

圖7 中心點(diǎn)距離隨聚焦電流變化的關(guān)系

2 束流三維能量分布指標(biāo)的調(diào)控技術(shù)

在電子束焊接中，束流的空間功率密度分布及焦斑形態(tài)將直接影響電子束焊接過(guò)程的動(dòng)態(tài)行為和產(chǎn)品焊接質(zhì)量。因此，在完成良好的電子束對(duì)心和矯形后，束流的三維能量分布指標(biāo)（上部寬度、中部寬度、下部寬度、峰值能量）的調(diào)控對(duì)焊接質(zhì)量（焊縫熔深、內(nèi)部質(zhì)量）的控制顯得尤為重要，而這些表征參數(shù)的變化與傳統(tǒng)的電子束焊接工藝參數(shù)密不可分，主要包括電壓、束流、聚焦電流等電控參數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)束流的三維能量分布指標(biāo)的調(diào)控，就必須明確其與電壓、束流、聚焦電流等電控參數(shù)之間存在的內(nèi)在聯(lián)系。

采用Design-Expert軟件響應(yīng)面分析法（Response surface method）研究電子束束流電控參數(shù)與束流品質(zhì)的內(nèi)在關(guān)系。在設(shè)計(jì)（Design）模塊中選用了Box-Behnken中心試驗(yàn)設(shè)計(jì)法。以上部寬度、中部寬度、下部寬度、峰值能量四個(gè)束流品質(zhì)三維表征參數(shù)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以電壓、束流、聚焦電流三個(gè)影響因素作為設(shè)計(jì)輸入，并選取合適的取值范圍，在分析（Analysis）模塊下完成二次多項(xiàng)式模型擬合，圖8為擬合模型的殘差分布情況，其殘差各點(diǎn)的分布幾乎在一條直線上，模型擬合效果較好。最終獲得束流四個(gè)三維量化表征參數(shù)與電壓、束流、聚焦電流實(shí)際值之間的二次方程模型。

圖8 擬合模型殘差分布

圖9為不同束流下，電壓、聚焦電流與上部寬度之間的三維關(guān)系。束流變化對(duì)上部寬度的影響不大，尤其是在靠近電壓與聚焦電流互相匹配的中間條帶上。

圖9 電壓、聚焦電流與上部寬度之間的三維關(guān)系

圖10為不同聚焦電流下，電壓、束流與上部寬度的三維關(guān)系。聚焦電流的變化對(duì)上部寬度的影響非常明顯，當(dāng)聚焦電流從2 216 mA逐漸增加時(shí)，上部寬度變小，而且電壓越高，寬度下降的越明顯；當(dāng)

聚焦電流增大到2 260 mA后，低電壓處的上部寬度開(kāi)始變大，且電壓越低，寬度增加的越明顯。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，束流的變化對(duì)上部寬度的影響不明顯。

圖10 電壓、束流與上部寬度的三維關(guān)系圖

圖11為不同電壓下，聚焦電流、束流與上部寬度的三維關(guān)系。電壓的變化對(duì)上部寬度的影響同樣非常明顯，當(dāng)電壓從97 kV逐漸變大時(shí)，在低聚焦電流2 216 mA附近，上部寬度逐漸變大，在高聚焦電流2 326 mA附近，上部寬度逐漸變小。同樣從圖中可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，束流的變化對(duì)上部寬度的影響不明顯。

結(jié)合以上分析，束流大小對(duì)束流能量的上部寬度影響不明顯，而電壓和聚焦電流對(duì)上部寬度的影響較大。在電子束焊接中，通過(guò)陽(yáng)極孔后匯集的電子束成發(fā)散狀，必須經(jīng)過(guò)磁透鏡的二次聚焦后方能實(shí)現(xiàn)焊接。同時(shí)通過(guò)陽(yáng)極孔的電子束具有熱初速，因此聚焦后的電子束不可能被匯聚成一個(gè)點(diǎn)而是一個(gè)最小的截面，也就是通常所說(shuō)的電磁束斑。為使電子束聚焦成最小的束斑直徑，不同的加速電壓下均對(duì)應(yīng)著不同的聚焦電流，加速電壓變大，聚焦電流將相應(yīng)增加以增大磁透鏡的會(huì)聚角，提升聚焦能力減弱熱初速的影響，以確保獲得最小的束斑尺寸。

經(jīng)過(guò)研究還發(fā)現(xiàn)，束流電控參數(shù)對(duì)束流品質(zhì)的中部寬度、下部寬度的影響規(guī)律與對(duì)上部寬度的基本一致。

圖12為不同束流下電壓、聚焦電流與峰值能量的三維關(guān)系。由圖形對(duì)比來(lái)看，在靠近電壓與聚焦電流互相匹配的中間條帶上，束流變化對(duì)峰值能量的影響很大，隨著束流的增加，峰值能量急劇增加。由于峰值能量是代表聚焦后的束斑能量密度大小的主要參數(shù)之一，在電子束良好聚焦時(shí)，束流的束斑直徑最小且變化不大，束流的能量密度與功率成正比，束流越大，功率越大，峰值能量越大。反之，沒(méi)有良好聚焦時(shí)，束流光斑隨著聚焦電流的增大急劇變大，束流增加帶來(lái)的功率增加并沒(méi)有引起功率密度的急劇增加，因此峰值能量的變化不明顯。

圖11 聚焦電流、束流與上部寬度的三維關(guān)系

圖12 電壓、聚焦電流與峰值能量之間的三維關(guān)系

圖13為不同電壓下聚焦電流、束流之間的等高圖，由圖中可以看出，隨著電壓的增加，峰值能量為800 mV的等高線逐漸向聚焦電流增大的方向偏移，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)為獲得800 mV峰值能量所需要的束流值在逐漸減小。采用同樣的方式研究了不同聚焦電流下電壓、束流對(duì)峰值能量的影響，發(fā)現(xiàn)與電壓變化的影響趨勢(shì)如出一轍。圖14為不同聚焦電流下的電壓、束流之間的等高圖。

圖13 聚焦電流、束流之間的等高圖

圖14 電壓、束流之間的等高圖

根據(jù)上述束流電控參數(shù)對(duì)束流品質(zhì)三維表征參數(shù)的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)，在固定的工作距離內(nèi)，電壓和聚焦電流對(duì)四個(gè)因素的影響均較明顯，且兩者之間的相互匹配共同作用的影響程度更大。

明確了三維表征參數(shù)與電控參數(shù)之間的關(guān)系，通過(guò)建立的二次方模型，利用Design-Expert軟件優(yōu)化（optimization）模塊不僅可以預(yù)測(cè)不同電參數(shù)作用下的四個(gè)表征參數(shù)的具體數(shù)值，而且也可以根據(jù)設(shè)定的四個(gè)表征參數(shù)推算出三個(gè)電控參數(shù)的優(yōu)化方案，選擇期望度最大的一組電控參數(shù)值作為調(diào)控的基本參數(shù)。在此基礎(chǔ)上利用電子束能量直接測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行電控參數(shù)的微調(diào)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)四個(gè)三維特征參量的變化，直至達(dá)到調(diào)控的預(yù)定值。圖15給出了預(yù)期要達(dá)到的一組參數(shù)（上部寬度8.54 μs、中部寬度5.26 μs、下部寬度2.45、峰值能量782 mv）的推薦電控參數(shù)的優(yōu)化方案，共46組方案，其中系統(tǒng)推薦的是第一組。束流品質(zhì)實(shí)時(shí)測(cè)量界面以及電子束電控參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)界面如圖16所示。

圖15 系統(tǒng)優(yōu)化方案

圖16 三維表征參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)控界面

3 結(jié)論

電子束束流品質(zhì)是直接作用于工件、形成焊縫的能量源，檢測(cè)到達(dá)工件前的束流品質(zhì)，對(duì)束流品質(zhì)進(jìn)行量化表征并實(shí)現(xiàn)調(diào)控，對(duì)精細(xì)化控制焊接質(zhì)量具有重要作用。

[1]胡元枧，左從進(jìn)，郭光耀，等.燈絲電流磁場(chǎng)對(duì)電子槍束流品質(zhì)的影響[J].航空制造技術(shù)，2010（9）：81－84.

Control technology of the beam quality in electron beam welding

TENG Wenhua，YU Yang，SHEN Xianfeng，ZHANG Weichao
（China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China）

Conduct research on the beam quality before reaching the workpiece，the beam quality of quantitative characterization is based on indirect measurement of secondary electron mode and test based on the energy density sensor to realize the combination of direct measurement of the way.Through automatic beam on cardiovascular and orthopaedic procedures，the beam quality offset distance and morphology factor two characterization parameters can be adjusted，and make them to be optimal.The interrelationships between Electron beam welding process parameters(such as Voltage，beam and focusing current)and the beams of three dimensional energy distribution index are studied.Through the establishment of a quadratic model，using the Design-Expert software Optimization(Optimization)module can not only predict the four characterization parameters under different electrical parameters of the specific value，but also can infer three control parameters optimization scheme according to the setting four characterization parameters，choose a set of electric parameter values based on expectation maximization as the regulation of the basic parameters.Utilize electron beam energy to directly test system，finetuning the electronic control parameters，and real-time monitoring of the change of the four 3 d feature parameters，until reach a predetermined value regulation.

electron beam welding；beam quality；control

TG456.3

A

1001－2303（2016）07－0090-08

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.21

2016-04-02

滕文華（1976—），男，山東青島人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事激光加工、電子束焊接工藝技術(shù)及質(zhì)量控制等研究工作。