專利名稱：電子束加工能量控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種材料加工中的能量控制方法，特別是一種電子束加工及異種金屬電子束焊接能量控制方法。用于材料加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
采用電子束作為熱源對(duì)材料進(jìn)行加工時(shí)，工件上的能量輸入及能量密度分布是決定工件溫度場(chǎng)特征的一個(gè)重要因素。通常，電子束的掃描軌跡根據(jù)所加熱工件的不同要求而形狀、形式各異，當(dāng)采用某一種確定的電子束掃描軌跡對(duì)工件進(jìn)行加熱時(shí)，特別是當(dāng)掃描軌跡比較復(fù)雜時(shí)，由于掃描軌跡各部分之間的相互影響、掃描軌跡不同部分曲率的差別以及工件不同位置處散熱條件的差別等，所得到的能量密度分布如何，能否滿足要求，如果不能滿足要求如何進(jìn)行調(diào)節(jié)等問(wèn)題都需要通過(guò)能量密度控制方法來(lái)解決。另一方面，異種材料的加工，如異種金屬焊接，特別是對(duì)熱敏感性強(qiáng)的異種金屬的焊接，由于異種金屬在熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性等熱物理、化學(xué)性能方面存在很大差異，在傳統(tǒng)熱源熔焊的情況下，接頭異種金屬熔化量、熔池的尺寸和形狀難于控制，從而影響焊縫形狀、焊縫成分的穩(wěn)定性和接頭的性能，使接頭的成分和性能很難得到保證。這一問(wèn)題也需要通過(guò)能量輸入控制來(lái)解決。
經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)發(fā)明專利名稱電子束掃描加熱控制方法，專利申請(qǐng)?zhí)?3116991.0，該專利提供一種電子束掃描加熱軌跡和方式控制方法，能夠使電子束按照設(shè)定的軌跡和方式運(yùn)動(dòng)，其中提到電子束掃描軌跡由多個(gè)點(diǎn)組成，根據(jù)各點(diǎn)的坐標(biāo)分量來(lái)計(jì)算并得到模擬量，將模擬量輸入給偏轉(zhuǎn)線圈利用其所產(chǎn)生的磁場(chǎng)使電子束按照設(shè)定的掃描軌跡移動(dòng)。利用該技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)使電子束按照設(shè)定的掃描軌跡運(yùn)動(dòng)的目的，但該專利沒(méi)有給出能量密度控制方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種電子束加工能量控制方法，使其通過(guò)對(duì)掃描軌跡上不同位置處掃描點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)及束流值的控制，實(shí)現(xiàn)沿掃描軌跡長(zhǎng)度方向上對(duì)掃描軌跡不同位置處進(jìn)行能量密度控制；在掃描軌跡有多條的情況下，對(duì)每條掃描軌跡分別進(jìn)行能量控制；異種金屬加工(如焊接)時(shí)的能量控制，可使兩種金屬以適當(dāng)?shù)谋壤酆蠌亩玫交瘜W(xué)成分及性能都滿足要求的焊接接頭。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明根據(jù)工件上能量密度的分布要求，對(duì)掃描軌跡不同位置處掃描點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)進(jìn)行分配或電子束流值進(jìn)行控制，或同時(shí)采用以上兩種方法，對(duì)被加熱工件表面進(jìn)行能量密度控制，能量密度要求高的地方，采用較多的掃描點(diǎn)點(diǎn)數(shù)或較大的束流值，能量密度要求低的地方，采用較少的掃描點(diǎn)點(diǎn)數(shù)或較小的束流值，在被加熱工件表面得到所需的能量密度分布。對(duì)異種金屬焊接，通過(guò)在接頭兩側(cè)采用不同的掃描點(diǎn)數(shù)量、掃描點(diǎn)分布及電子束流值對(duì)接頭兩側(cè)進(jìn)行不對(duì)稱的能量輸入，通過(guò)調(diào)節(jié)接頭兩側(cè)掃描點(diǎn)數(shù)量及電子束流值來(lái)調(diào)節(jié)接頭兩側(cè)能量輸入比，從而調(diào)節(jié)接頭兩側(cè)異種金屬的熔化量，使兩種金屬以適當(dāng)?shù)谋壤酆蠌亩玫交瘜W(xué)成分及性能都滿足要求的焊接接頭。
通過(guò)能量密度的計(jì)算及三維顯示來(lái)判斷能量密度分布是否符合要求，其計(jì)算方法是首先將工件表面進(jìn)行離散點(diǎn)劃分，求出一個(gè)掃描周期中每個(gè)掃描點(diǎn)單獨(dú)作用時(shí)工件表面所劃分的各離散點(diǎn)處的能量密度值，然后將每個(gè)掃描點(diǎn)單獨(dú)作用時(shí)工件表面所劃分的各離散點(diǎn)處的能量密度值進(jìn)行疊加，再除以一個(gè)掃描周期所包含的掃描點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)，即為以當(dāng)前掃描軌跡進(jìn)行掃描加熱條件下工件表面各點(diǎn)的能量密度分布。
在進(jìn)行能量密度調(diào)整過(guò)程中，將上述的能量密度計(jì)算結(jié)果與所要求的能量密度分布進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，對(duì)掃描軌跡中各位置處掃描點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)或束流值進(jìn)行調(diào)整，再根據(jù)調(diào)整后的情況進(jìn)行能量密度計(jì)算，再重復(fù)比較及調(diào)整的過(guò)程，直到工件表面各點(diǎn)能量密度分布滿足要求為止。
能量密度計(jì)算方法說(shuō)明如下a.將工件表面進(jìn)行離散點(diǎn)劃分，設(shè)共劃分出M×N個(gè)點(diǎn)。
b.設(shè)一個(gè)掃描周期中掃描點(diǎn)的數(shù)量為n，求出此n個(gè)點(diǎn)中每個(gè)點(diǎn)單獨(dú)作用時(shí)工件表面M×N個(gè)點(diǎn)中每個(gè)點(diǎn)處的能量密度值，用矩陣ej0表示ej0=(x1,y1,z11)(x1,y2,z12)...(x1,yN-1,z1,N-1)(x1,yN,z1N)(x2,y1,z21)(x2,y2,z22)...(x2,yN-1,z2,N-1)(x2,yN,z2N)............(xM,y1,zM1)(xM,y2,zM2)...(xM,yN-1,zM,N-1)(xM,yN,zMN)]]>下標(biāo)j表示掃描點(diǎn)中第j個(gè)點(diǎn)，j＝1，2，...，n。n為一個(gè)掃描周期所包含的點(diǎn)數(shù)。掃描周期是指一個(gè)完整的掃描軌跡所包含的全部的掃描點(diǎn)。
矩陣中每個(gè)元素前兩個(gè)值為該點(diǎn)坐標(biāo)，第三個(gè)值為該點(diǎn)能量密度值。之所以在矩陣中寫出各點(diǎn)坐標(biāo)值，是為了說(shuō)明各點(diǎn)能量密度與其坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如果明確了這一關(guān)系，為了方便表達(dá)，ej0矩陣中每個(gè)元素的坐標(biāo)可以不寫出，那么ej0矩陣可寫成ejej=z11z12...z1,N-1z1Nz21z22...z2,N-1z2N............zM1zM2...zM,N-1zMN]]>ej矩陣為掃描點(diǎn)中第j個(gè)點(diǎn)單獨(dú)作用時(shí)，工件表面各點(diǎn)處的能量密度分布矩陣。
c.求出在一個(gè)掃描周期的掃描點(diǎn)共同作用下工件表面各點(diǎn)處的能量密度分布。
掃描點(diǎn)中第j個(gè)點(diǎn)單獨(dú)作用的時(shí)間用dt表示，刷新率用u表示，則dt＝1/u，設(shè)工件上各個(gè)點(diǎn)的面積為ds，則第j個(gè)點(diǎn)單獨(dú)作用時(shí)，對(duì)工件表面各點(diǎn)的能量輸入為
ej′=ej×dt×ds]]>=z11×dt×dsz12×dt×ds...z1,N-1×dt×dsz1N×dt×dsz21×dt×dsz22×dt×ds...z2,N-1×dt×dsz2N×dt×ds............zM1×dt×dszM2×dt×ds...zM,N-1×dt×dszMN×dt×ds]]>=z11′z12′...z1,N-1′z1Nz21′z22′...z2,N-1′z2N............zM1′zM2′...zM,N-1′zMN′]]>在一個(gè)掃描周期內(nèi)，掃描軌跡中各點(diǎn)綜合作用的結(jié)果為每個(gè)點(diǎn)單獨(dú)作用結(jié)果的疊加，用ej″表示，則有ej′′=Σj=1nej′=dt×ds×Σj=1nej]]>一個(gè)掃描周期的時(shí)間為T＝dt×n＝(1/u)×n，式中u為刷新率，n為一個(gè)掃描周期所包含的點(diǎn)數(shù)，T為一個(gè)掃描周期。用ej來(lái)表示工件中每個(gè)點(diǎn)處的能量密度則有ej′′′=ej′′ds×dt×n=Σj=1nej′ds×dt×nΣj=1nejn]]>ej即為在當(dāng)前分布的電子束掃描點(diǎn)作用下，工件上每一點(diǎn)的能量密度分布。
對(duì)于異種金屬焊接時(shí)不對(duì)稱能量輸入的實(shí)現(xiàn)方法現(xiàn)作說(shuō)明如下此處以接頭兩側(cè)采用點(diǎn)狀加熱為例，即掃描點(diǎn)分布在相對(duì)于接合面對(duì)稱的兩個(gè)點(diǎn)狀區(qū)域，如以其它形式分布與此同理。該兩個(gè)點(diǎn)狀區(qū)域分別用A、B表示。并設(shè)一個(gè)掃描周期中分配給A、B區(qū)域的掃描點(diǎn)數(shù)分別為nA、nB，nA+nB＝n，n為一個(gè)掃描周期所包含的掃描點(diǎn)數(shù)。
采用前述能量密度計(jì)算方法，掃描軌跡中任意一點(diǎn)單獨(dú)作用時(shí)，工件表面各點(diǎn)的能量密度分布矩陣為eA和eB。電子束在每個(gè)掃描點(diǎn)的作用時(shí)間仍為dt，則有ej′＝ej×dt×ds(j＝A，B)具體到A、B兩點(diǎn)狀區(qū)域，則有eA′＝eA×dt×dseB′＝eB×dt×dseA″＝∑eA′＝nA×eA′eB″＝∑eB′＝nB×eB′ej″＝eA″+eB″＝nA×eA′+nB×eB′ej′′′=ej′′ds×dt×n=nA×eA×dt×ds+nB×eB×dt×dsds×dt×n=nA×eA+nB×eBn]]>顯然接頭兩側(cè)的能量密度之比取決于接頭兩側(cè)的掃描點(diǎn)點(diǎn)數(shù)及束流值，如果接頭兩側(cè)采用相同的束流值，由于eA是電子束位于A處時(shí)工件上各點(diǎn)的能量分布，顯然，在該分布中，A處及鄰近點(diǎn)的能量密度值要高于B側(cè)各點(diǎn)；同樣，eB是電子束位于B處時(shí)工件上各點(diǎn)的能量分布，在eB分布中，B處及鄰近點(diǎn)的能量密度值要高于A側(cè)各點(diǎn)，因此，通過(guò)改變nA和nB的比值，就可以調(diào)節(jié)電子束對(duì)兩側(cè)的能量輸入比；如果接頭兩側(cè)采用相同的掃描點(diǎn)數(shù)，則接頭兩側(cè)能量輸入比由束流值決定。如果接頭兩側(cè)采用的掃描點(diǎn)數(shù)及束流值都不相同，則能量輸入比通過(guò)調(diào)節(jié)掃描點(diǎn)數(shù)及束流值來(lái)調(diào)節(jié)。因此，通過(guò)以上方法，可以得到異種金屬焊接所需的不對(duì)稱能量輸入。


圖1實(shí)施例一的掃描軌跡圖2拐角處偏高的能量密度分布圖3拐角處點(diǎn)數(shù)減少后的能量密度分布圖4實(shí)施例二的掃描軌跡圖5實(shí)施例二的能量密度分布圖6實(shí)施例三的掃描軌跡圖7實(shí)施例三的能量密度分布圖8實(shí)施例四的能量密度分布圖9實(shí)施例五的掃描軌跡圖10實(shí)施例五的能量密度分布具體實(shí)施方式
結(jié)合本發(fā)明的方法和附圖，提供以下實(shí)施例實(shí)施例一單條掃描軌跡通過(guò)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行能量密度控制本實(shí)施例為單條掃描軌跡沿掃描軌跡長(zhǎng)度方向上通過(guò)掃描點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)控制，對(duì)掃描軌跡不同位置處進(jìn)行能量密度控制。
采用如圖1所示的掃描軌跡，要求電子束能量密度沿掃描軌跡長(zhǎng)度方向均勻分布。根據(jù)以上要求，初步確定掃描點(diǎn)沿掃描軌跡長(zhǎng)度方向均勻分布，一個(gè)掃描周期的掃描點(diǎn)數(shù)為660。
將工件表面進(jìn)行離散點(diǎn)的劃分，劃分出50×50個(gè)點(diǎn)，即在能量密度分布矩陣中M和N都等于50。利用前述能量密度計(jì)算方法得到能量密度分布如圖2所示。
由圖2可見(jiàn)，由于沿掃描軌跡長(zhǎng)度方向曲率是變化的，因此采用沿掃描軌跡長(zhǎng)度方向均勻分布的掃描點(diǎn)進(jìn)行掃描，則沿掃描軌跡長(zhǎng)度方向能量密度并不是均勻分布的，拐角處的能量密度偏高，為了降低拐角處的能量密度，可以在拐角處采用較少的掃描點(diǎn)數(shù)或較小的束流值，此處將拐角處的點(diǎn)數(shù)減少，每個(gè)拐角處減少6個(gè)點(diǎn)，得到新的能量密度分布如圖3所示?？梢?jiàn)，消除了拐角處能量密度偏高的現(xiàn)象，使沿整個(gè)掃描軌跡長(zhǎng)度方向的能量密度基本均勻分布。
實(shí)施例二單條掃描軌跡通過(guò)束流進(jìn)行能量密度控制本實(shí)施例為單條掃描軌跡沿掃描軌跡長(zhǎng)度方向上通過(guò)束流的控制對(duì)掃描軌跡不同位置處進(jìn)行能量密度控制。
采用如圖4所示的掃描軌跡，要求電子束能量密度分布如圖5所示，沿掃描軌跡長(zhǎng)度方向均勻變化。根據(jù)以上要求，采用掃描點(diǎn)沿掃描軌跡長(zhǎng)度方向均勻分布、束流值在掃描軌跡不同位置均勻變化的方法，一個(gè)掃描周期的掃描點(diǎn)數(shù)為500。
將工件表面進(jìn)行離散點(diǎn)的劃分，劃分出50×50個(gè)點(diǎn)。采用連續(xù)變化束流在掃描軌跡的一個(gè)周期行程中，束流先從最小值逐漸升高，到半個(gè)周期時(shí)升高到最大值，在下一個(gè)半周期中束流逐漸降低，回到起點(diǎn)時(shí)束流降至最低值。利用前述能量密度計(jì)算方法得到能量密度分布如圖5所示。
實(shí)施例三兩條掃描軌跡通過(guò)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行能量密度控制電子束掃描軌跡為兩個(gè)同心圓形式，如圖6所示，并要求小圓的能量密度要低于大圓。
初步確定小圓掃描點(diǎn)數(shù)200，大圓掃描點(diǎn)數(shù)為350，將工件表面進(jìn)行離散點(diǎn)的劃分，劃分出50×50個(gè)點(diǎn)。利用前述能量密度計(jì)算方法，所得到的能量密度分布表明，小圓的能量密度略高于大圓，這是不符合要求的，因此需要減小小圓的點(diǎn)數(shù)，或增大大圓的點(diǎn)數(shù)。現(xiàn)將小圓點(diǎn)數(shù)減小為150，大圓點(diǎn)數(shù)不變，則能量分布如圖7所示由圖7可見(jiàn)，小圓上的能量密度分布已小于大圓，符合要求。
實(shí)施例四異種金屬焊接焊縫兩側(cè)不對(duì)稱能量輸入(點(diǎn)掃描)要求對(duì)接合面兩側(cè)采用點(diǎn)加熱，兩側(cè)采用大小不等的能量密度。
所采用的掃描軌跡為相對(duì)于接合面對(duì)稱分布的兩個(gè)點(diǎn)狀區(qū)域。首先采用點(diǎn)數(shù)調(diào)節(jié)法，兩個(gè)點(diǎn)狀區(qū)域的掃描點(diǎn)數(shù)分別采用180，360，兩側(cè)束流值相同。將工件表面進(jìn)行離散點(diǎn)的劃分，劃分出50×50個(gè)點(diǎn)。利用前述能量密度計(jì)算方法得到能量密度分布如圖8所示。符合兩側(cè)采用大小不等的能量密度的要求。其次也可采用束流調(diào)節(jié)法，兩側(cè)點(diǎn)數(shù)都設(shè)置為180，但束流采用不同數(shù)值，其能量密度分布與圖8類似。
實(shí)施例五異種金屬焊接不對(duì)稱能量輸入(焊縫兩側(cè)掃描點(diǎn)分布不同)接合面兩側(cè)采用不同形式的掃描軌跡，兩側(cè)分別采用點(diǎn)狀掃描和圓形掃描軌跡，如圖9所示。兩側(cè)的掃描點(diǎn)數(shù)都為200，束流值相同。
利用前述能量密度計(jì)算方法得到能量密度分布如圖10所示。由圖中可見(jiàn)，采用圓形掃描軌跡一側(cè)，能量密度的分布比較分散。
以上各實(shí)施例中所采用的掃描軌跡是說(shuō)明性的，并非限定性的，采用其它形式的掃描軌跡與此同理。
本發(fā)明所提供的電子束加工能量控制法，具有實(shí)質(zhì)性的特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，通過(guò)對(duì)掃描軌跡上不同位置處掃描點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)及束流值的控制，實(shí)現(xiàn)沿掃描軌跡長(zhǎng)度方向上對(duì)掃描軌跡不同位置處進(jìn)行能量密度控制；在掃描軌跡有多條的情況下，可對(duì)每一條掃描軌跡分別進(jìn)行能量密度控制；所提出的異種金屬加工(如焊接)時(shí)的能量控制法，可對(duì)異種金屬焊接時(shí)接頭兩側(cè)進(jìn)行不對(duì)稱的能量輸入，通過(guò)調(diào)節(jié)接頭兩側(cè)能量輸入比來(lái)調(diào)節(jié)接頭兩側(cè)異種金屬的熔化量，接頭兩側(cè)能量輸入比可以在0～1之間調(diào)節(jié)，可有效地控制接頭兩側(cè)異種金屬的熔化量，使兩種金屬以適當(dāng)?shù)谋壤酆蠌亩玫交瘜W(xué)成分及性能都滿足要求的焊接接頭。
權(quán)利要求
1.一種電子束加工能量控制法，其特征在于，根據(jù)工件上能量密度的分布要求，對(duì)掃描軌跡各個(gè)位置處掃描點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)進(jìn)行分配或電子束流值進(jìn)行控制，或同時(shí)采用以上兩種方法，對(duì)被加熱工件表面進(jìn)行能量密度控制，能量密度要求高的地方，采用較多的掃描點(diǎn)點(diǎn)數(shù)或較大的束流值，能量密度要求低的地方，采用較少的掃描點(diǎn)點(diǎn)數(shù)或較小的束流值，在被加熱工件表面得到所需的能量密度分布。對(duì)異種金屬焊接，通過(guò)分別控制接頭兩側(cè)的掃描點(diǎn)數(shù)量、掃描點(diǎn)分布及電子束流值對(duì)接頭兩側(cè)進(jìn)行能量輸入控制，從而調(diào)節(jié)接頭兩側(cè)異種金屬的熔化量，得到化學(xué)成分及性能都滿足要求的焊接接頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束加工能量控制法，其特征是，通過(guò)能量密度的計(jì)算及三維顯示來(lái)判斷能量密度分布是否符合要求，其計(jì)算方法是首先將工件表面進(jìn)行離散點(diǎn)劃分，求出一個(gè)掃描周期中每個(gè)掃描點(diǎn)單獨(dú)作用時(shí)工件表面所劃分的各離散點(diǎn)處的能量密度值，然后將每個(gè)掃描點(diǎn)單獨(dú)作用時(shí)工件表面所劃分的各離散點(diǎn)處的能量密度值進(jìn)行疊加，再除以一個(gè)掃描周期所包含的掃描點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)，即為以當(dāng)前掃描軌跡進(jìn)行掃描加熱條件下工件表面各點(diǎn)的能量密度分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電子束加工能量控制法，其特征是，在進(jìn)行能量密度調(diào)整過(guò)程中，將上述的能量密度計(jì)算結(jié)果與所要求的能量密度分布進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，對(duì)掃描軌跡中各位置處掃描點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)或束流值進(jìn)行調(diào)整，再根據(jù)調(diào)整后的情況進(jìn)行能量密度計(jì)算，再重復(fù)比較及調(diào)整的過(guò)程，直到工件表面各點(diǎn)能量密度分布滿足要求為止。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束加工能量控制法，其特征是，在異種金屬焊接時(shí)，如采用的掃描軌跡為位于接頭兩側(cè)的兩個(gè)點(diǎn)狀區(qū)域，如果接頭兩側(cè)采用相同的束流值，電子束對(duì)兩側(cè)的能量輸入通過(guò)改變兩側(cè)掃描點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)比進(jìn)行調(diào)節(jié)；如果接頭兩側(cè)采用相同的掃描點(diǎn)數(shù)，則接頭兩側(cè)能量輸入通過(guò)調(diào)節(jié)束流值來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)；或同時(shí)調(diào)節(jié)掃描點(diǎn)數(shù)及束流值來(lái)調(diào)節(jié)接頭兩側(cè)能量輸入比。
全文摘要
一種用于材料加工的電子束加工能量控制法，根據(jù)工件上能量密度的分布要求，對(duì)掃描軌跡各個(gè)位置處掃描點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)進(jìn)行分配或電子束流值進(jìn)行控制，或同時(shí)采用以上兩種方法，對(duì)被加熱工件表面進(jìn)行能量密度控制，在被加熱工件表面得到所需的能量密度分布；對(duì)異種金屬焊接，通過(guò)分別控制接頭兩側(cè)的掃描點(diǎn)數(shù)量、掃描點(diǎn)分布及電子束流值對(duì)接頭兩側(cè)進(jìn)行能量輸入控制，從而調(diào)節(jié)接頭兩側(cè)異種金屬的熔化量。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描軌跡不同位置處進(jìn)行能量密度控制，在掃描軌跡有多條的情況下，可對(duì)每一條掃描軌跡分別進(jìn)行能量密度控制，對(duì)異種金屬焊接，可有效地控制接頭兩側(cè)異種金屬的熔化量。
文檔編號(hào)B23K15/02GK1603051SQ200410068020
公開日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2004年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月11日
發(fā)明者王學(xué)東, 朱智春, 蘆鳳桂, 戴德海, 唐新華 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué), 上海航天動(dòng)力機(jī)械研究所