专利名称：一种电子束焊接动态焦点测量控制装置的制作方法
技术领域：
。
本实用新型属于焊接技术领域，涉及一种电子束焊接参数测量控制装置。
在电子束焊接加工中，焊接不同的材质、不同厚度的工件时，确定电子束的最佳聚焦电流有重要的意义。电子束焊接的金属熔化效果和焊缝质量等与电子束的焊接参数存在密切关系，焊接参数包括加速电压、束流、焊接速度、电子束焦点位置和束斑品质以及材料性能等。其中焦点位置和束斑品质在所有参数中最难确定，一方面由于焦点参数的数据不直观，另一方面焦点对焊接的影响是非线性关系，非常复杂，同时还可能存在焊接过程的金属蒸气影响焦点位置和束斑品质等。
过去在实际的焊接生产中采用了多种焦点测量方法，最简单的是经验测量法，这种方法是利用很小束流在某一高度试块上调节聚焦电流，通过观察束流斑点直径(使用光学潜望镜)或光线强弱和飞溅大小(肉眼观测)等来大致判断焦点的位置。传统的焦点检测方法是日本Arata教授发明的，后来称为Arata-Beam Test Method(简称AB法)；它是将金属片竖直放置在不同的高度，呈锯齿斜坡状，电子束沿斜坡扫过，通过测量电子束在金属片上熔化宽度的痕迹，测定电子束在不同工作距离的焦点位置和束斑品质。AB法检测结果误差较大，金属片不能重复使用，有明显的局限性，并且不能准确反映电子束焊接的动态过程。对于中小功率的电子束，可以采用探针式传感器高速扫描静止的电子束进行检测，但是探针检测获得的电流是工件传导电流，不能反映电子束本身的电子密度分布。这些方法可检测的束流功率都不可能太大，并且测量的结果在具体工件焊接时还需要进一步根据经验调整。德国的电子束流能量密度DIABEAM测试系统是目前先进的电子束焦点和品质检测方法之一，是一种电子束静态焦点测量方法，可以测得电子束的束斑直径和电子束能量密度分布，但是所测量的电子束是在真空中传输未受焊接过程影响的焦点。迄今为止，还没有一种能够准确测量和控制电子束焊接过程动态聚焦电流的装置问世。
发明内容
。
本实用新型所解决的技术问题是提供一种能准确测定并控制电子束焊接动态过程焦点位置的装置，准确地测量并控制电子束焊接动态聚焦电流，从而控制动态焦点的准确位置，以提高焊接的质量。
本实用新型的技术方案是一种电子束焊接动态焦点测量控制装置，包括一个外壳1、以及固定在外壳1内的电源电路，其特征(1)有一个电流传感器2，其输入端与固定在外壳上的工件传导电流接口9连接，其输出端与电阻3和滤波电容4并联，(2)有一个三通道A/D转换模块5，其第一通道的输入端与电流传感器2的输出端连接，第二通道的输入端与外壳1上的焊接束流Ib输入接口10连接，第三通道输入端与外壳1上的聚焦电流If输入接口12连接，A/D转换模块5输出工件传导电流IWP、焊接束流Ib和聚焦电流If三路数字信号，(3)有一个数字信号处理模块6，它由数据缓存区15、传导比均值与束流函数运算模块16、临界穿透束流与聚焦电流函数运算模块17组成，工件传导电流IWP、焊接束流Ib和聚焦电流If经数据缓存区15缓存后，输入运算模块16中，计算出工件传导电流的传导比均值与输入束流的函数曲线关系，比较得到传导比均值的极值和其对应的临界穿透束流IC，并输入入运算模块17；在运算模块17中给予聚焦电流If一个增量，经D/A转换后输出控制电子束焊机的聚焦电流；重复以上过程，在运算模块17中计算临界穿透束流与聚焦电流函数曲线关系，比较得到临界穿透束流的极值，得到最小临界穿透束流所对应的聚焦电流，(4)有一个D/A转换模块7，它从数字信号处理模块6接收焊接束流Ib和聚焦电流If的控制信号，进行数模转换后分别输出到外壳上的束流控制输出接口11和聚焦电流输出接口13，(5)有一个计算机8，它通过固定在外壳1上的与通用计算机连接的输入输出接口14，与数字信号处理模块6连接，由数字信号处理模块6输出的测量数据结果，经计算机8的处理以后，可以显示和/或打印。
本实用新型的有益效果是第一，本实用新型测量过程是在电子束焊接动态条件下进行的，这种聚焦状态受到焊接过程金属蒸气的直接影响，焦点位置和束斑品质的聚焦状态完全反映了焊接状态；过去的焦点测量方法一般都不能反映焊接的动态过程，其中AB方法测量的焦点虽然反映了金属蒸气的部分影响，但其金属蒸气的状态不同于焊接过程的状态，不能完全反映焊接动态过程。
第二，本实用新型可以发现电子束焊接的其它参数如加速电压、束流、焊接速度等与动态聚焦状态之间的关系；除DIABEAM测试系统可以反映静态电子束流大小变化对焦点的影响外，其它方法都未能反映或未能完全反映焊接参数的影响。
第三，理论上，本实用新型可以获得任何大小电子束流的聚焦状态而不受检测传感器的限制；除DIABEAM测试系统外，其它焦点测量方法都受电子束流大小的限制。
第四，本实用新型测量焦点状态与实际焊接的板厚有关，当被焊板的厚度减薄时，焊接动态过程和金属蒸气对焦点的影响逐渐减小，测量所获得的焦点会逐渐接近电子束在漂移空间中传输的焦点状态；DIABEAM测试系统所测量的电子束焦点和品质仅仅是本实用新型所测量的一种板厚为零的极限状态。
第五，本实用新型方法测量获得的聚焦状态物理意义清晰，工程实际应用方便。在动态焦点状态焊接可以用最小的输入束流获得最大的熔深。
第六，本实用新型测得的聚焦状态反映了电子束本身的对称性、极值性和活性区大小等。
第七，本实用新型仅仅需要将输出控制接口与电子束焊机连接，基本不需要对电子束焊机进行较大的改动，使用简单方便。
。
图1是本实用新型电子束焊接动态焦点测量装置的原理方框图。
图2是本实用新型中数字信号处理模块6的原理方框图。
图3是本实用新型软件系统总程序流程图。
图4是使用本实用新型测控的一个焊接实施例中工件临界穿透束流Ic与聚焦电流If之间的关系曲线。
图5是使用本实用新型测控的一个焊接实施例中板厚对电子束动态聚焦状态的影响曲线。
具体实施方式
。
下面对本实用新型焦点测量控制装置做进一步详细说明，本实用新型的重要思想是利用电子束焊接过程的临界穿透状态和临界穿透束流等基本概念，获得焊接过程和电子束传输状态之间的关系。电子束焊接的金属熔化效果和焊缝质量等与电子束的焊接参数存在密切关系，电子束焊接参数包括加速电压、束流、焊接速度、电子束焦点位置和束斑品质以及材料性能等。一方面焦点位置和束斑品质在所有参数中最难确定，另一方面焊接过程的金属蒸气影响焦点位置和束斑品质，这种影响是非常复杂的非线性关系，同时其它焊接参数也对焦点产生较大的影响。过去的焦点测量方法基本没有反映出电子束焦点位置和束斑品质在焊接动态过程的特征。本实用新型装置的工作过程需要使用申请人于2002年11月26日申请的中国发明专利02153279.6“一种确定电子束焊接最佳聚焦电流的方法”中所提出的测量电子束焊接动态焦点的方法，这个方法的主要步骤是(1)根据电子束焊机的特点与性能，选定加速电压Ua；(2)根据被焊工件厚度和材质，依经验选定焊接速度V；(3)通过试验过程确定工件的临界穿透束流Ic与聚焦电流之间的关系曲线，具体步骤是第一步，取与工件相同厚度和材质的试样，放入电子束焊机真空室中，将试样与焊机绝缘；第二步，将电流传感器的初级串联在试样与焊机地线之间，电流传感器的次级并联采样电阻R和滤波电容C，模数转换器的输入端与电阻R的两端连接，模数转换器的输出端与数字信号处理机连接，第三步，依经验选择一个初始聚焦电流If0的具体数值，焊接试样，软件系统求出工件传导电流的均值传导比Ra随输入束流Ib变化的曲线，工件传导电流的均值传导比Ra＝Iwp/Ib，式中Iwp为工件传导电流；在其它参数不变的焊接过程中，软件系统控制输入束流Ib从小到大逐步增加，将电阻R两端的代表工件传导电流Iwp的电压信号进行模数转换，在计算机中通过数字信号处理软件进行处理，求出工件传导电流的均值传导比Ra，并且得出工件传导电流的均值传导比Ra随输入束流Ib变化的曲线；第四步，找出Ra随Ib变化的曲线峰值点，该点所对应的横坐标值即为工件的临界穿透束流Ic，将该数值作为纵坐标，将与该数值对应的聚焦电流If数值作为横坐标，在一个二维坐标系中标定出与上述坐标对应的点；第五步，重复上述第一步至第四步的过程，在第三步中选择聚焦电流的具体数值时由软件系统给定一个增量ΔIf，取定If(i+1)＝Ifi+ΔIf进行重复焊接，软件系统将得到工件的临界穿透束流Ic与聚焦电流If之间的函数关系曲线；
(4)确定焊接工件的最佳聚焦电流数值，通过观测临界穿透束流Ic和聚焦电流If的关系曲线中存在一定对称性并且具有临界穿透束流Ic极小值，可以获得临界穿透束流Ic极小值所对应的聚焦电流If，也就是焊接工件时的最佳聚焦电流数值If。
对于上述方法的详细介绍请参见上述专利申请，这里不再对此做过多的重复。下面详细说明本实用新型的实施方式。
参见图1和图2。本实用新型的电子束焊接动态焦点测量控制装置，包括一个外壳1、以及固定在外壳1内的电源电路，其特征在于有一个电流传感器2，其输入端与固定在外壳上的工件传导电流接口9连接，其输出端与电阻R即3和滤波电容C即4并联。电流传感器2采用市售的成品。
有一个三通道A/D转换模块5，其第一通道的输入端与电流传感器2的输出端连接，第二通道的输入端与外壳1上的焊接束流Ib输入接口10连接，第三通道输入端与外壳1上的聚焦电流If输入接口12连接，A/D转换模块5输出工件传导电流IWP、焊接束流Ib和聚焦电流If三路数字信号。
有一个数字信号处理模块6，它由数据缓存区15、传导比均值与束流函数运算模块16、临界穿透束流与聚焦电流函数运算模块17组成。工件传导电流IWP、焊接束流Ib和聚焦电流If经数据缓存区15缓存后，输入运算模块16中，计算出工件传导电流的传导比均值与输入束流的函数曲线关系。运算模块17中给予初始束流Ib0、初始聚焦电流If0的具体数值，焊接试样，求出工件传导电流的均值传导比Ra0。然后，在运算模块17中给予焊接束流一个增量ΔIb，经数模转换后输出到焊机，控制电子束焊机的束流得到Ib(i+1)＝Ibi+ΔIb，求出工件传导电流的均值传导比Ra(i+1)。在连续焊接一段焊缝后得出工件传导电流的均值传导比Ra随输入束流Ib变化的第一条曲线。比较得到第一条曲线的传导比均值的极值和其对应的临界穿透束流IC，并输入运算模块17。再在运算模块17中给予聚焦电流一个增量ΔIf，输出控制电子束焊机的聚焦控制器，得到聚焦电流If(i+1)＝Ifi+ΔIf进行重复焊接，获得工件传导电流的均值传导比Ra(i+1)随输入束流Ib(i+1)变化的第(i+1)条曲线。比较得到第一条曲线的传导比均值的极值和其对应的临界穿透束流IC(i+1)，并输入运算模块17，在运算模块17中得到工件的临界穿透束流Ic与聚焦电流If之间的函数关系曲线。比较得到临界穿透束流的极值，就能得到最小临界穿透束流所对应的聚焦电流。数字信号处理模块6可以使用现在市场出售的集成电路芯片很方便地构成。
有一个计算机8，它通过固定在外壳1上的与通用计算机连接的输入输出接口14，与数字信号处理模块6连接，由数字信号处理模块6输出的测量数据结果，经计算机8的处理以后，可以显示和/或打印。
参见图3，这是本实用新型装置的软件程序流程图。根据被焊工件的条件需要设定焊接参数中的加速电压、焊接速度等，利用本实用新型确定束流的动态焦点的过程如下第一步设定聚焦电流初值If0，聚焦电流步长ΔIf，时间步长Δt；第二步设定束流初值Ib0，控制输入束流Ibi与时间步长Δt的关系，其中i＝1，2，3...；第三步采集每个时刻ti＝i*Δt的工件传导电流Iwpi，计算工件传导电流Iwpi的平均值Iwpi；第四步计算均值传导比Rai＝Iwpi/Ibi第五步建立均值传导比Rai与输入束流Ibi的函数关系，即Rai＝f(Ibi)；第六步求得均值传导比Rai的最大值，即Rai(max)；第七步确定均值传导比最大值Rai(max)所对应的输入束流Ibi，即为此条件下的临界穿透束流Ick，其中K＝1，2，3...；第八步增加聚焦电流Ifk＝If0+ΔIf，重复第二步到第七步，确定每一步的临界穿透束流Ick；第九步建立聚焦电流Ifk和临界穿透束流Ick，之间的函数关系，即Ick＝f(Ifk)；第十步求得临界穿透束流Ic的最小值Ic(min)；第十一步确定临界穿透束流最小值Ic(min)所对应的聚焦电流If，即为此条件下的最佳穿透聚焦电流——动态焦点状态。
本实用新型的使用方法是首先将本实用新型测控装置与电子束焊机进行连接，第一、将工件传导电流信号与接口9连接。第二、将电子束焊机束流控制器调节开关断开，与本实用新型测控装置的接口10，11连接。第三、将电子束焊机聚焦电流控制器调节开关断开，与本实用新型测控装置的接口12，13连接。第四、将计算机与本实用新型测控装置的接口14连接，可以完成显示和打印工作。第五、连接完成后，打开与本实用新型测控装置的电源开关，并且打开测试控制应用程序，进入工作状态。第六、电子束焊机开始焊接，焊接束流和聚焦电流都是由本实用新型测控装置内部控制。焊接一段焊缝后，若焊接数据不够，可以重新焊接第二条焊缝，直到得到最小临界穿透束流所对应的聚焦电流，即得到动态焦点的聚焦电流。
图4的曲线是一个实施例的使用实例，使用本实用新型测控装置进行电子束焊接过程动态焦点测试所得到的结果。
(1)实验条件3.0mm厚的低碳钢板，电子束焊接加速电压是142kV，焊接速度2.5mm/s，工件表面距离真空室顶197mm。
(2)该函数曲线的获得过程如下设定焊机聚焦控制器的聚焦电流初值If0，输入束流初值Ib0，利用本实用新型测控装置内部数字信号处理模块获得此聚焦电流初值If0状态下的临界穿透束流Ic0，将If0，Ic0直接保存在寄存器中，这就是临界穿透束流与聚焦电流函数曲线上的第一个数据点(If0，Ic0)，临界穿透束流Ic0的获得过程如下首先，选取不能焊透工件的适当小的输入束流Ib0焊接工件，动态焦点测控装置接口9接收工件传导电流Iwp0进入电流传感器，转换为电压信号后传入A/D转换模块，再传入数字信号处理模块进行运算，求得工件传导电流均值传导比Ra0＝Iwp0/Ib0，将Ra0，Ib0保存在寄存器中。
其次，得到Ra0，Ib0之后，在运算模块[17]中给予焊接束流一个增量ΔIb，输出到动态焦点测控装置接口10，控制电子束焊机的束流得到Ib(i+1)＝Ibi+ΔIb(其中i＝0，1，2，3......)，再通过动态焦点测控装置接口11输入到电子束焊机束流控制器；求出工件传导电流的均值传导比Ra(i+1)，在连续焊接一段焊缝后得出工件传导电流的均值传导比Ra随输入束流Ib变化的一条曲线。
第三，再在运算模块[17]中给予聚焦电流一个增量ΔIf，通过动态焦点测控装置接口13输出控制电子束焊机的聚焦控制器，得到聚焦电流If(i+1)＝Ifi+ΔIf(其中i＝0，1，2，3......)，连续进行焊接过程，获得工件传导电流的均值传导比Ra(i+1)随输入束流Ib(i+1)变化的第(i+1)条曲线，比较得到第(i+1)条曲线的传导比均值的极值和其对应的临界穿透束流IC(i+1)，并传入运算模块[17]，在运算模块[17]中得到工件的临界穿透束流Ic与聚焦电流If之间的该函数关系曲线；从曲线中比较得到工件临界穿透束流Ic极小值点Ic(min)，Ic(min)所对应的聚焦电流值If是此条件下工件动态聚焦电流。
图5的曲线是使用本实用新型测控装置测量不同厚度板材电子束焊接过程动态焦点的结果。
(1)实验条件电子束焊接加速电压是142kV，焊接速度2.5mm/s，工件表面距离真空室顶345mm。
(2)图中有6条函数曲线，从下往上获得的曲线板厚分别为1.8，3.0，5.6，9.3，11，15mm，每种厚度板都有一条临界穿透束流与聚焦电流关系曲线。
(3)将每一板厚的最小临界穿透束流连接起来，获得一条聚焦电流随板厚变化的曲线。
(4)图中可见当板厚大于9mm小于15mm时，动态聚焦电流变化很小。
从该组曲线可以得出以下结论第一、板厚小于15mm的低碳钢，厚度增加，极小值点向聚焦电流增大的方向移动，即动态焦点向上移动。
第二、如果以同样的束流差标识焦点的活性区，厚度增加电子束流的活性区宽度减小。
该曲线证明了本实用新型装置具有以下优点第一，利用本实用新型，首次获得了焦点状态与实际焊接的板厚关系。
第二，本试验是利用本实用新型测量电子束焊接过程的动态焦点与被焊板厚关系曲线。这种聚焦状态受到焊接过程金属蒸气的直接影响，焦点位置和束斑品质的聚焦状态完全反映了焊接状态；过去的焦点测量方法一般都不能反映焊接的动态过程，其中AB方法测量的焦点虽然反映了金属蒸气的部分影响，但其金属蒸气的状态不同于焊接过程的状态，不能完全反映焊接动态过程。只要增大板厚，本实用新型可以获得任何大小电子束流的聚焦状态而不受检测传感器的限制；第三，该试验结果提供了一种有效方法获得利用最小的输入束流获得最大的熔深，同时说明对于不同厚度板想用最小的输入束流获得最大的熔深必须调节聚焦电流，使电子束流处于动态焦点状态。
权利要求1.一种电子束焊接动态焦点测量控制装置，包括一个外壳[1]、以及固定在外壳[1]内的电源电路，其特征在于(1)有一个电流传感器[2]，其输入端与固定在外壳上的工件传导电流接口[9]连接，其输出端与电阻[3]和滤波电容[4]并联，(2)有一个三通道A/D转换模块[5]，其第一通道的输入端与电流传感器[2]的输出端连接，第二通道的输入端与外壳[1]上的焊接束流Ib输入接口[10]连接，第三通道输入端与外壳[1]上的聚焦电流If输入接口[12]连接，A/D转换模块[5]输出工件传导电流IWP、焊接束流Ib和聚焦电流If三路数字信号，(3)有一个数字信号处理模块[6]，它由数据缓存区[15]、传导比均值与束流函数运算模块[16]、临界穿透束流与聚焦电流函数运算模块[17]组成，工件传导电流IWP、焊接束流Ib和聚焦电流If经数据缓存区[15]缓存后，输入运算模块[16]中，计算出工件传导电流的传导比均值与输入束流的函数曲线关系，比较得到传导比均值的极值和其对应的临界穿透束流IC，并输入运算模块[17]；在运算模块[17]中给予聚焦电流If一个增量，经D/A转换后输出控制电子束焊机的聚焦电流；重复以上过程，在运算模块[17]中计算临界穿透束流与聚焦电流函数曲线关系，比较得到临界穿透束流的极值，得到最小临界穿透束流所对应的聚焦电流，(4)有一个D/A转换模块[7]，它从数字信号处理模块[6]接收焊接束流Ib和聚焦电流If的控制信号，进行数模转换后分别输出到外壳上的束流控制输出接口[11]和聚焦电流输出接口[13]，(5)有一个计算机[8]，它通过固定在外壳[1]上的与通用计算机连接的输入输出接口[14]，与数字信号处理模块[6]连接，由数字信号处理模块[6]输出的测量数据结果，经计算机[8]的处理以后，可以显示和/或打印。
专利摘要本实用新型属于焊接技术领域，涉及一种电子束焊接参数测量控制装置。本实用新型的测量控制装置，包括外壳1、输入、输出端子和电源电路，其特征在于，还有电流传感器2，A/D转换模块5，数字信号处理模块6，D/A转换模块7和计算机8。本实用新型装置可以准确测量和控制电子束流的聚焦状态，在测量的电子束流聚焦状态可以用最小的输入束流获得最大的熔深。使用本实用新型装置不需要对电子束焊机进行较大的改动，使用简单方便。
文档编号B23K15/00GK2587571SQ02294569
公开日2003年11月26日 申请日期2002年12月30日 优先权日2002年12月30日
发明者周琦, 刘方军, 关桥, 郭光耀, 左从进, 毛智勇 申请人:中国航空工业第一集团公司北京航空制造工程研究所