一种电子束深熔焊穿透成形实时监控检测方法与流程

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marchingcubes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ib求出工件传导电流的均值传导比ra随输入束流ib的变化曲线，ra＝iwp/ib,得到临界穿透束流ic，确定焊透状态的焊接束流在ic≤ib≤ic+5％ic，未焊透状态的焊接束流在ic-5％ic≤ib≤ic，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。

技术实现要素：

本发明针对目前电子束焊接过程的直接监控较为困难以及控制焊缝质量控制等问题，提供了一种能够实时测量电子束动态焊接过程中穿透束流并实时显示的装置，通过研究总电子束流与背面穿透束流关系规律并定义了穿流比，由此建立了焊缝质量(包括焊溜、焊塌、焊缝大小头比例过大等焊接缺陷)与电子束穿流比判据对电子束深熔焊接进行实时监控并形成了监控方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种电子束深熔焊穿透成形实时监控检测装置，包括：束流传感采集模块，底板承接滑动模块和计算显示模块。束流传感采集模块用于收集底板承接滑动模块中产生的束流并将电流信号转换成电压信号，束流传感采集模块将转换后的电压信号传输给计算显示模块，计算显示模块通过对信号进行判断并显示，且通过底板承接滑动模块调节焊接速度。

进一步的，束流传感采集模块包括传感采集部分和电信号转换部分，其中，传感采集部分为法拉第筒式结构，包括：顶端开口的屏蔽外壳；

嵌于屏蔽外壳内部的绝缘层，顶端设有圆形开口；

以及内嵌绝缘层的收集电极，亦对应设有两处圆形开口，其底部中心处放置耐热钨块。

电信号转换部分为设置在屏蔽外壳底部与绝缘层之间的传感电阻，传感电阻一端接入收集电极，另一端接出连入计算显示模块。

优选的，屏蔽外壳采用铝合金。

底板承接滑动模块包括底座，以及用于夹紧焊板的可移动工作台、夹具，可移动工作台通过底座上设置的导轨实现自由移动；

进一步的，可移动工作台的四个角上均设有夹具。

进一步的，计算显示模块通过数据采集卡屏蔽电缆接受到束流传感采集模块中的电压信号上传至计算机，再通过计算机进行编程判断束流传感采集模块的穿透束流和电子束流之比将电压信号转化成电流信号在显示模块上实时显示。

基于上述装置的检测方法，包括具体步骤如下：

1、调整装置，清洗焊板并使焊板的一端对应于电子束发射枪，并设置焊板厚度在5～20mm之间；

2、设置焊接参数加速电压v、电子束流iw、焊接速度v后，进行焊接；

3、在焊接过程中，电子束流保持不变，焊板随着工作台进行移动，同时通过束流传感采集模块收集实时的穿透束流i1、i2。。。ic；

4、根据穿流比ro＝ic/iw，计算穿流比ro，若穿流比r在20％～45％之间，则符合要求，此时焊接稳定；若穿流比r小于20％或穿流比r大于45％，则会出现焊接缺陷。

5、采集到的穿透束流信号会在束流传感采集模块中转换成电压信号之后传输到数据采集卡，通过计算机编程将实时的穿透束流ic和穿流比ro通过波形图的形式在计算机上显示出来；

6、在计算机上穿透束流ic的波形图上在20％和45％的位置上标定两条直线观察计算机上显示穿流比波形图。

6.1若穿流比曲线平稳且在标定的两条直线之间，则符合要求，此时焊接过程稳定，焊缝质量优异；

6.2若穿流比平稳但不在标定的两条直线之间，则不符合要求，此时焊接过程存在问题且焊缝质量不佳；

6.3若穿流比曲线平稳且在标定的两条直线之间但有部分不在标定的两条直线之间，此时表示焊缝质量较好，而不在标定的两条直线之间的部分即为焊缝缺陷处。

本发明相对于现有技术相比，具有显著优点：

1、电子束深熔焊穿透成形实时监控检测装置能够对穿透束流的实时采集并显示；

2、通过对总电子束流和检测到的穿透束流之间的关系进行研究，建立穿流比判据并形成监控方法实现了电子束的动态焊接过程的实时监控。

3、通过所得的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。

4、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。

附图说明

图1为束流传感采集模块截面图；

图2为穿透束流收集监控示意图；

图3为传感采集模块，底板承接滑动模块和计算显示模块相互之间关系的示意图

图4为实时监控电子束动态焊接穿透状态的检测方法的流程图

图5为实施例1中调整前的穿透束流和穿流比波形示意图；

图6为实施例1中调整前焊缝的实物图；

图7为实施例1中调整后的穿透束流和穿流比波形示意图；

图8为实施例1中调整后焊缝截面的实物图；

图9为实施例2中调整前的穿透束流和穿流比波形示意图；

图10为实施例2中调整前焊缝截面的实物图；

图11为实施例2中调整后的穿透束流和穿流比波形示意图；

图12为实施例2中调整后焊缝截面的实物图；

图13为实施例3中穿透束流和穿流比波形示意图；

图14为实施例3中焊缝的截面的实物图。

其中，1、可移动工作台；2、电子束流；3、焊板；4、夹具；5、导轨；6、底座；7、计算机；8、屏蔽电缆；9、束流传感采集模快；10、电子束发射枪；11、聚焦线圈；12、屏蔽外壳；13、绝缘层；14、收集电极；15、耐热钨块；16、传感电阻。

具体实施方式

下面将结合实施例和附图2来详细说明本发明所涉及的装置和方法。通过本发明的应用，能够对电子束焊接过程进行实时监控。显然，所描述的实施例仅仅为本发明的一部分实施例，并不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明所保护的范围。实验设备为zd60-6acv500l型电子束焊机。

电子束深熔焊穿透成形实时监控检测装置，包括：束流传感采集模块，底板承接滑动模块和计算显示模块。束流传感采集模块用于收集底板承接滑动模块中产生的束流并将电流信号转换成电压信号，束流传感采集模块将转换后的电压信号传输给计算显示模块，计算显示模块通过对信号进行判断并显示，且通过底板承接滑动模块调节焊接速度。

束流传感采集模块9采用法拉第筒式结构，外部为铝合金屏蔽外壳12高60mm，底部为40×40mm的正方形，上端开口，厚度为1mm，在距铝合金外壳12底部10mm位置内嵌一层5mm厚的绝缘层13材料为环氧树脂，绝缘层13上端的开口为半径15mm的圆形，在绝缘层13里内嵌一层5mm厚的收集电极14，收集电极14在上端和三分之二处分别为半径12mm和半径8mm的圆形开口结构，用于保证电子束流打入传感装置后能被完全吸收，收集电极14材料为h62黄铜，收集电极14底部中心处放置一个底部20×20mm，高5mm的耐热钨块15，用于保护底部的收集电极14，铝合金屏蔽外壳12与绝缘层13之间的10mm处内置一个1kω的传感电阻16，屏蔽电缆8一端通过与绝缘层13底部m2×3mm的螺纹孔配合连接，并且保证屏蔽电缆8接入收集电极14，传感电阻5接入屏蔽电缆中，屏蔽电缆8通过铝合金屏蔽外壳12和底板承接滑动模块中的底座6上的半径2mm的圆孔接出连向外部计算显示模块中的数据采集卡。

底板承接滑动模块由底座6，可移动工作台1和夹具4三部分组成。底座长400mm，宽200mm，在距长边30mm处分布有2条导轨5用于实现与可移动工作台1的配合并保证可自由移动，可移动工作台表面1是个长120mm，宽40mm的长方形，高62mm，将可移动工作台1接入电子束焊机控制体统保证能自由的控制可移动工作台1的移动和移动速度。可移动工作台1的四个角上均分布有夹具4通过m4的螺纹孔与螺栓进行配合，夹具4为长40mm，宽25mm的长方体，中间有椭圆形孔，用于螺栓穿过孔与可移动工作台1配合从而夹紧焊板3。

计算显示模块通过数据采集卡屏蔽电缆8接受到束流传感采集模块中的电压信号上传至计算机7，再通过计算机7进行编程判断束流传感采集模块的穿透束流和电子束流之比将电压信号转化成电流信号在显示模块上实时显示。

检测方法具体包括如下：

1、调整装置，清洗焊板3使焊板3的一端对应于电子束发射枪10，设置聚焦线圈11对电子束进行聚焦，并设置焊板厚度在5～20mm之间；

2、设置焊接参数加速电压v、电子束流iw、焊接速度v后，进行焊接；

3、在焊接过程中，电子束流2保持不变，焊板3由夹具4固定随着工作台1进行移动，同时通过束流传感采集模块9收集实时的穿透束流i1、i2。。。ic；

4、根据穿流比ro＝ic/iw，计算穿流比ro；

5、将实时测得的穿透束流ic与计算所得穿流比ro在计算机7上进行显示；

6、观察计算机7上显示的穿透束流是否在20％和45％的两条标定直线之间，若在则符合要求，此时焊接不存在缺陷。若穿流比r小于20％或穿流比r大于45％，则焊接存在缺陷。

实施例1

实验所用的是2a12铝合金，其厚度为10mm,在高温下具有良好的塑性，焊接性能良好，但在空气中容易氧化。将焊件表面的油，锈和氧化物除去，特别是两个对接表面，首先使用刮刀刮去表面的氧化物，再用无水乙醇进行擦洗脱水。

将焊板3如附图2进行压配，并保证装配的精度。束流传感采集模快9如附图固定在底座6上，并置于焊缝的正下方。保证工件能够随着工作台1在底座6上按一定的焊接速率滑动。

选定的工艺参数为加速电压60kv，电子束流20ma，焊接速度600mm/min。保证电子束流打到焊板3的同时，工作台1开始移动，工作台1的移动速率即为焊接速率。与此同时，束流传感采集模块9开始收集穿透束流并在计算机7上进行显示。

观察到计算机7上显示的穿透电流基本维持在10ma上下，穿流比ro维持在50％附近如附图5所示，高于正常的20％～45％之间，而此时得到的焊板3出现了焊塌，焊缝质量不佳，如附图6所示。

通过上面实验的经验，调整工艺参数，重新对焦点进行聚焦并适当的调小电子束流至15ma，其他参数保持不变。

取焊板3进行清洗，将焊件表面的油，锈和氧化物除去，特别是两个对接表面，首先使用刮刀刮去表面的氧化物，再用无水乙醇进行擦洗脱水。

将焊板3如附图2进行压配，并保证装配的精度。

进行焊接实验并通过束流传感采集模快9开始收集穿透束流并在计算机7上进行显示。

观察计算机7上显示的穿透电流基本维持在5ma上下，穿流比ro约为33％如附图7所示，符合正常的20％～45％之间，而此时得到的焊板3焊缝质量优异，如附图8所示。

实施例2

实验所用的是tc4钛合金，其厚度为10mm，固溶处理状态供货。将焊件表面的油，锈和氧化物除去，特别是两个对接表面，首先使用刮刀刮去表面的氧化物，再用无水乙醇进行擦洗脱水。

将焊板3如附图2进行压配，并保证装配的精度。束流传感采集模快9固定在底座6上，并置于焊缝的正下方。保证工件能够随着工作台1在底座6上按一定的焊接速率滑动。

选定的工艺参数为加速电压60kv，电子束流35ma，焊接速度500mm/min。保证电子束流打到焊板3的同时，工作台1开始移动，工作台1的移动速率即为焊接速率。与此同时，束流传感采集模快9开始收集穿透束流并在计算机7上进行显示。

观察计算机7上显示的穿透电流基本维持在4ma上下，穿流比ro维持在12％附近如附图9所示，低于正常的20％～45％之间，而此时得到的焊板3出现了焊缝比例大小过大的问题，焊缝质量不佳，如附图10所示。

通过上面实验的经验，调整工艺参数，重新对焦点进行聚焦并适当的调大电子束流至40ma，焊接速度调为300mm/min。

取焊板3进行清洗，将焊件表面的油，锈和氧化物除去，特别是两个对接表面，首先使用刮刀刮去表面的氧化物，再用无水乙醇进行擦洗脱水。

将焊板3如附图2进行压配，并保证装配的精度。

进行焊接实验并通过束流传感采集模快9开始收集穿透束流并在计算机7上进行显示。

观察到计算机7上显示的穿透电流基本维持在12ma上下，穿流比ro约为30％如附图11所示，符合正常的20％～45％之间，而此时得到的焊板3焊缝质量优异，如附图8所示。

实施例3

实验所用的为高氮奥氏体不锈钢，其厚度为5mm，具有高强度的同时又具有高的韧性以及耐腐蚀性。将焊件表面的油，锈和氧化物除去，特别是两个对接表面，首先使用刮刀刮去表面的氧化物，再用无水乙醇进行擦洗脱水。

将焊板3如附图2进行压配，并保证装配的精度。束流传感采集模快9固定在底座上，并置于焊缝的正下方。保证工件能够随着工作台1在底座6上按一定的焊接速率滑动。

选定的工艺参数为加速电压60kv，电子束流20ma，焊接速度400mm/min。保证电子束流打到焊板3的同时，工作台1开始移动，工作台1的移动速率即为焊接速率。与此同时，束流传感采集模快9开始收集穿透束流并在计算机7上进行显示。

观察到计算机7上显示的穿透电流基本维持在5ma上下，穿流比ro维持在25％附近如附图12所示，在正常的20％～45％之间，而此时得到的焊板3焊缝比质量优异，如附图7所示。