專利名稱：材料熱加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料加工方法，其中a)使電子束聚焦到工件的表面上；b)使電子束的工作斑與工件之間發(fā)生相對運動，在所述相對運動期間，工作斑沿 著加工輪廓(運動)；c)根據(jù)控制參數(shù)來控制工作斑與工件之間的相對運動，所述控制參數(shù)由控制裝置 從所存儲的理想加工輪廓中導(dǎo)出。
背景技術(shù)：
利用電子束來進行的熱加工、例如焊接的質(zhì)量在很大程度上與電子束的工作斑在 其相對于工件進行相對運動時有多精確地擊中所希望的加工輪廓、在焊接兩個部件的情況 下有多精確地擊中在要焊接的部件之間的接縫軌跡(Fugenverlauf)的精確度有關(guān)。在開 頭所述類型的已知的材料加工方法中，出于不同的原因會關(guān)于這一點出現(xiàn)不精確性。第一 種原因是在真實的加工輪廓和存儲在控制裝置中的期望的加工輪廓之間存在幾何偏差， 該期望的加工輪廓下面也稱為“理想”加工輪廓。該幾何偏差本身可能是由于對工件的不精確的夾緊以及由于在制造工件時出現(xiàn) 的公差所造成。由于所述幾何偏差，電子束的工作斑雖然能正確地沿著理想加工輪廓(運 動)，但此時不能擊中或不能處處都擊中真實的加工輪廓。電子束的工作斑和真實加工輪廓 之間的偏差的第二種原因可能是，在工件中存在剩余磁感應(yīng)，電子束在其影響下發(fā)生偏移。 這導(dǎo)致，當電子束的工作斑沿著所存儲的理想加工輪廓運動時，電子束的工作斑甚至不能 擊中真實加工輪廓。因此，所述由磁引起的偏差導(dǎo)致一行為，該行為無論如何從結(jié)果看等于 是真實加工輪廓與理想加工輪廓的幾何偏差。工作斑不能擊中或不能處處都擊中真實加工 輪廓的其他原因可能是，在對運動進行編程處理時出現(xiàn)誤差。為了確保電子束的工作斑處處都能擊中真實加工輪廓，必須根據(jù)控制參數(shù)來控制 所述電子束的工作斑，所述控制參數(shù)與一可能與理想加工輪廓以及真實加工輪廓均存在偏 差的加工輪廓相對應(yīng)，該加工輪廓在此稱為“有效/實際”加工輪廓。如果不考慮電子束的 磁偏移，則有效加工輪廓與真實加工輪廓相當。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是如此設(shè)計一種開頭所述類型的電子束材料加工方法，使得能以 易于理解的方式圖示出有效加工輪廓與理想加工輪廓之間的偏差，從而給出可簡單地修正 所述偏差的可能性。根據(jù)本發(fā)明以下述方式實現(xiàn)所述目的，即d)在真正的焊接過程之前通過下述方式確定有效加工輪廓，da)按照所存儲的理想加工輪廓的數(shù)據(jù)以不足以進行熱處理的運行參數(shù)使電子射 束的工作斑相對于所述工件進行相對運動；
db)在多個點上為與所述理想加工輪廓相應(yīng)的所述相對運動疊加一掃描運動，所 述掃描運動橫向于所述理想加工輪廓并在兩側(cè)超出所述理想加工輪廓；dc)測量由工件散射回的電子束的、與掃描運動的偏移量有關(guān)的強度；dd)將在步驟dc中得出的、在各個掃描運動下測得的強度關(guān)系并列放置成形成工 件的圖像性的圖示，在該圖示中在一根軸上描述了在加工輪廓的方向上的相對運動的進展 而在一第二軸中描述有效加工輪廓與理想加工輪廓的偏差。上面在da)下提及“運行參數(shù)”時，其特別是指電子束工作斑中的能量密度和/或 工作斑與工件之間的相對運動的速度。在開頭所述特征C)的意義中，“控制參數(shù)”應(yīng)理解成所有由控制裝置產(chǎn)生的、用于 引起電子束的焦點與工件之間的確定的相對運動的參數(shù)。在此，特別是涉及控制電流和/ 或控制電壓的大小和時間歷程，所述控制電流和/或控制電壓用于電子束的偏移和/或用 于電子束和/或工件的機械運動。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，以下述方式產(chǎn)生一種加工輪廓的“展開”形式，即與加工 輪廓的真實的、通常彎曲的軌跡/走向(Verlauf)無關(guān)地，理想加工輪廓總是顯示為直線而 有效加工輪廓與理想加工輪廓的偏差總是顯示為與該直線形的偏差。這特別是對于非技術(shù) 的或僅初學的操作人員來說易于理解，并且此外顯示了一種特別好地適于隨后對偏差進行 修正的形式。根據(jù)本發(fā)明，在還用于實施真正的材料加工方法的同一裝置中進行有效加工輪廓 的確定，所述有效加工輪廓考慮了電子束在工件上的“撞擊軌跡”與理想加工輪廓的由幾何 和磁引起的偏差。這意味著相對于用于確定真實的加工輪廓的光學方法具有多個優(yōu)點一 方面，設(shè)備費用極少，因為大體上所有必要的部件本來就存在于電子束設(shè)備中。此外，根據(jù) 本發(fā)明的方法之所以優(yōu)于光學方法是因為，用于確定有效加工輪廓的電子束和其在隨后真 正的材料加工時所做的一樣“瞄準”加工輪廓，使得特別是還可以慮及不能以光學的方式進 行檢測的磁偏移。根據(jù)本發(fā)明的方法特別好地適用于焊接兩個部件，其中加工輪廓是在兩個彼此要 連接成工件的部件之間的接縫。根據(jù)權(quán)利要求1，在對有效加工輪廓與理想加工輪廓的偏差進行檢測后能特別簡 單地實施一修正步驟，利用所述修正步驟修正所述偏差以用于熱處理。其特征在于，在權(quán)利 要求1中的步驟d)之后e)如此調(diào)節(jié)與得出的所述有效加工輪廓相應(yīng)的控制參數(shù)，使得在沿有效加工輪廓 的方向進展相對運動時電子束的工作斑處處都位于所述有效加工輪廓上；f)然后，在適于熱處理的運行參數(shù)下重新實施所述電子束的工作斑與工件之間的 相對運動。根據(jù)步驟e)對控制參數(shù)的調(diào)節(jié)在多種情況下能根據(jù)經(jīng)驗來進行，因為在很短的 經(jīng)驗后利用系統(tǒng)由得出的有效加工輪廓的形狀可以推斷出控制參數(shù)的必要的修正方式。無 論如何，在控制參數(shù)的每次修正后都能容易地識別，(新的)有效加工輪廓是否已經(jīng)接近所 希望的直線形。在確定的特征偏差中還能研發(fā)一種算法，利用所述算法能將偏差減小到允 許的大小。電子束的工作斑和工件之間的相對運動還能以機械的方式通過工件的運動和/或電子束源連同成像元件的運動來實現(xiàn)。為此不需要顯著的設(shè)備費用；所述運動是較緩慢 的。替代地或附加地，電子束的工作斑和工件之間的相對運動能以電的方式通過電子 束的偏移來實現(xiàn)。這以較少的設(shè)備費用和無慣性的方式實現(xiàn)，但是當然受到幾何界限的限 制。無論如何，至少掃描運動以電的方式通過電子束的相應(yīng)偏移來實施，是有利的。在上文中說到掃描運動的方向需要“橫向”于理想加工輪廓的方向時，意味著不一 定是直角。雖然在多種情況下出于分析處理的原因，掃描運動的方向在理想加工輪廓的相 應(yīng)點上垂直于切線是有利的。但原則上還可以考慮其它任意角度?？赡軙霈F(xiàn)，在夾緊工件時較粗略地錯誤定位的情況。在這種情況下下述方法可 以證實是有用的，在該方法中在確定有效加工輪廓之前(如在權(quán)利要求1中的特征d)所 述的)，利用散射回的電子束產(chǎn)生工件的圖像，由此獲得關(guān)于工件在系統(tǒng)固有的坐標系內(nèi)的 位置的信息，然后以機械或電子的方式補償所述位置與規(guī)定位置/理論位置的偏差。雖然 原則上，如果掃描運動的振幅足夠大，則可以在沒有“預(yù)定位”的情況下實施(本發(fā)明的方 法)。但通常，所述振幅出于構(gòu)造技術(shù)的原因是有限制的，從而在確定有效加工輪廓之前必 須先“移正”工件的“粗位置/宏觀位置”。


作為本發(fā)明的實施例，下面借助附圖更詳細地闡述將兩個部件焊接成工件；其中 示出了 圖1示意性示出用于電子束焊接的設(shè)備；圖2示出工件的俯視圖，所述工件包括兩個要彼此焊接的部件；圖3同樣示意性示出在真正的電子束焊接之前進行的掃描過程；圖4示出在掃描過程中獲得的、在所測得的有效接縫與被編程處理的理想接縫軌 跡相一致的位置處的信號；圖5示出在掃描過程中獲得的、在所測得的有效接縫偏離于被編程處理的理想接 縫軌跡的位置處的信號；圖6示意性示出在對與理想接縫軌跡的偏差進行修正之前的“展開的”有效接縫 軌跡；圖7示意性示出修正后的“展開的”有效接縫軌跡。
具體實施例方式首先參看圖1。圖1示出了總體以附圖標記1標注的本身已知的用于電子束焊接 的設(shè)備。因此僅簡短描述就足夠了。設(shè)備1在一真空密封的殼體(未示出)中從上向下包括一電子束源2、一包含好些 個致偏電極的定心和消像散器單元3、一包括適合的線圈的聚焦透鏡4以及x-y-致偏線圈 5。工件6放在操縱器7上，利用所述操縱器7該工件6能在x-y-平面內(nèi)以由電機驅(qū)動的 方式高精度地運動。此外，在一控制裝置9中產(chǎn)生有用于好些個放大器10的輸出信號，所述放大器10 本身又將適合的電流或電壓施加到定心和消像散器單元3、聚焦透鏡4、致偏線圈5、以及操縱器7上。利用上述各個電流或電壓，電子束11能聚焦到工件6上，并且這樣形成的工作斑 能在工件6上移動。在致偏線圈5的下方設(shè)置有傳感器板12，所述傳感器板12能檢測由工件6散射回 的電子。如在現(xiàn)有技術(shù)中已知的那樣，利用傳感器板12例如能產(chǎn)生工件6的圖像，該圖像 完全類似于光學圖像。在應(yīng)用上面借助圖1闡述的設(shè)備1的情況下，現(xiàn)在可以如下所述地實施本發(fā)明的 焊接方法。該描述借助示例性的工件6 (在圖2中示出)來進行，所述工件包括兩個要彼此 焊接的部件6a和6b。在兩個部件6a，6b之間存在理想焊接接縫13，所述理想焊接接縫13 在焊接的情況下形成加工輪廓并存儲在設(shè)備1的控制裝置9中。由于如上所述的并且在下 面還要進一步更詳盡地闡述的誤差，電子束11的工作斑不能沿著理想的接縫軌跡13 (進 行)，而是沿有效的接縫軌跡14 (進行)，該有效的接縫軌跡14在以點線示出的區(qū)域中偏離 于理想的接縫軌跡13。沿著理想接縫軌跡13示出多個不同的用于描述目的的參考點1至46。首先由在工件6上散射回的電子束11產(chǎn)生工件6的圖像或部分圖像，所述圖像能 確定工件6在設(shè)備1的系統(tǒng)固有的坐標系中的粗位置/宏觀位置。如果該位置明顯偏離于 所存儲的規(guī)定位置/理論位置，則利用操縱器7使工件6移近該規(guī)定位置?，F(xiàn)在以下述方式為真正的焊接做準備工作在圖3中以較細的線13示出在兩個要彼此焊接的部件6a，6b之間的理想接縫軌 跡的一部段，該理想接縫軌跡如上所述以適合的方式在控制裝置9中進行編程處理。以略 粗的線14示出“有效”接縫軌跡的相應(yīng)部段，所述“有效”接縫軌跡由于各種影響而偏離于 理想的接縫軌跡13。這種偏差通常由真實的接縫軌跡的真實幾何偏差產(chǎn)生，該幾何偏差本 身可能由于工件6在操縱器7上的誤差的夾緊或者要彼此焊接的部件6a，6b的制造公差的 原因而造成。然而有效接縫軌跡14與理想接縫軌跡13的偏差還可能是由于非幾何原因造 成的，即電子束11在磁性部件6a，6b的情況下由于存在的剩磁而偏移/偏轉(zhuǎn)成，使得理想 接縫13不能準確地被電子束11打中。為了得出有效接縫軌跡14，在在真正的焊接過程前進行的掃描過程中如下進行處 理電子束11的工作斑以不足以實現(xiàn)焊接的較高的速度和/或降低的能量密度沿著 理想接縫軌跡13運動，其中在該進給運動上疊加一與理想接縫軌跡13的各個切線方向垂 直的掃描運動15或16。該掃描運動15或16在兩側(cè)超出“理想”接縫軌跡13 —振幅a(參 見圖3和圖4)。在電子束11的進給運動和掃描運動15或16期間，利用設(shè)備1的傳感器板 12接收強度信號。此時，得到隨工作斑從理想接縫軌跡13的偏離量而變化的、確定的強度 波動函數(shù)，如在圖4和圖5中所示的那樣。首先，可在圖3中看到理想接縫軌跡13的位置A，在該處理想接縫軌跡13與有效 接縫軌跡14相一致。在這種情況下，利用傳感器板12得出的、散射回的電子束11的強度 的變化歷程如圖4所示。明顯的最小值處于“零”位置，即電子束11的掃描運動15正好與 “理想”接縫軌跡13相交的位置。與此不同，在圖3中的位置B處，理想接縫軌跡13與有效接縫軌跡14明顯偏離。在該位置處利用傳感器板12獲得的強度信號在圖5中示出。在這種情況下也出現(xiàn)明顯的 強度最小值，但是該強度最小值位于電子束11的工作斑在理想接縫軌跡13上運動的位置 的側(cè)旁。為了以能容易理解的方式圖示出有效接縫軌跡14，不使用如在圖4和圖5中示出 的強度曲線。而是選擇一與工件6的在理想接縫軌跡13附近的圖像相對應(yīng)的圖示。為此， 例如將根據(jù)圖4和圖5的強度變化歷程轉(zhuǎn)換成灰度值。在不同掃描運動下得到的灰度值以 如圖6所示的方式并列放置。該附圖特別是示出了在圖2的46個參考點上的灰度值分布。 有效接縫軌跡14的位置可以通過粗的深色線看出。基于上面借助圖3所述的、在掃描過程中的做法，得到有效接縫軌跡14的一種展 開(Abwicklimg)形式。如果該有效接縫軌跡處處都與理想接縫軌跡13相一致，則總是—— 即與理想接縫軌跡13在工件6上的幾何形式無關(guān)地一一得到一直線來作為圖像，如在圖7 中示出的那樣。有效接縫軌跡14與理想接縫軌跡13的偏差以圖像與所述直線形的相應(yīng)偏 差來表現(xiàn)，如圖6所示。明顯地，可以非常迅速且易于理解地對作為掃描過程的結(jié)果獲得的圖像進行評 估，之所以這樣是因為，理想接縫軌跡13在所述圖像中的基本形狀與在工件6上的真實的 幾何接縫軌跡無關(guān)地總是一條直線，有效接縫軌跡14與理想接縫軌跡13的偏差在圖像中 總是與該直線形的偏差?！罢归_的”有效接縫軌跡14的圖像性的圖示的“標準化”還能以使有效接縫軌跡14 與理想接縫軌跡13的偏差減小的方式使得對控制裝置9的控制參數(shù)的修正變得容易。在 此，通常經(jīng)驗知識便足以實施控制參數(shù)的成功改變。根據(jù)這種變化實施的另外的掃描過程 立刻能讓人明白所做的對控制參數(shù)的修正是否是沿正確的方向?qū)嵤?、有效接縫軌跡14的 圖像性的圖示是否更好地接近直線形。在某些情況下，還可為有效接縫軌跡14與理想的接縫軌跡13的偏差的確定形狀 配設(shè)一種算法，利用所述算法能計算出新的控制參數(shù)，所述新的控制參數(shù)適用于修正對電 子束11的引導(dǎo)。如果所述掃描過程結(jié)束且在控制裝置9中設(shè)定有適用于修正的新的控制參數(shù)，則 電子束11現(xiàn)在能以工作斑中的足夠的能量密度和/或相應(yīng)地較低的速度無問題地沿著有 效接縫軌跡14被引導(dǎo)進行真正的焊接過程，從而位于有效接縫軌跡14兩側(cè)的部件6a，6b 能高精度地彼此連接。代替電子地通過電子束的偏移來實現(xiàn)電子束11的工作斑和工件6之間的相對運 動，所述相對運動還能通過操縱器7上的工件6的機械運動或者通過電子束源2連同所屬 的成像元件3，4，5，12的機械運動來實現(xiàn)。如上所述，兩個部件的焊接僅是材料熱加工方法的一個示例。然而在其它方法中 的做法原則上相同，其中在上面的描述中用通用術(shù)語“加工輪廓”代替專用術(shù)語“接縫軌 跡”。本發(fā)明的上面的說明通過一個示例來進行，其中有效加工輪廓與理想加工輪廓的 偏差僅沿一個方向存在。然而，根據(jù)本發(fā)明的方法也適用于有效加工輪廓與理想加工輪廓 的偏差還在其他方向上存在的情況。這種偏差以根據(jù)圖6或圖7的圖像的局部不清晰的方 式表現(xiàn)出來。在所述方向上的修正如此進行，使得該圖像在其整個尺寸上變得清晰。權(quán)利要求
1.一種材料熱加工方法，其中a)使電子束聚焦到工件的表面上；b)使電子束的工作斑與工件之間發(fā)生相對運動，在所述相對運動期間，工作斑沿著一 加工輪廓運動；c)根據(jù)控制參數(shù)來控制工作斑與工件之間的所述相對運動，所述控制參數(shù)由控制裝置 從所存儲的理想加工輪廓中導(dǎo)出；其特征在于，d)在真正的加工過程之前通過下述方式確定有效加工輪廓(14)，da)使電子束(11)的工作斑根據(jù)所存儲的理想加工輪廓(1 的數(shù)據(jù)以不足以進行熱 處理的運行參數(shù)實施相對于所述工件(6)的相對運動；db)在多個點上在與所述理想加工輪廓(1 相應(yīng)的所述相對運動上疊加一掃描運動， 所述掃描運動橫向于所述理想加工輪廓(1 并且在兩側(cè)超出所述理想加工輪廓；dc)測量由工件(6)散射回的電子束(11)的、與所述掃描運動的偏移量有關(guān)的強度；dd)將在步驟dc)中得出的、在各個掃描運動下測得的強度關(guān)系并列放置成形成所述 工件(6)的圖像性的圖示，在該圖示中在一根軸上描述了在所述加工輪廓(1 的方向上的 所述相對運動的進展，而在第二軸中描述有效加工輪廓(14)與理想加工輪廓(1 的偏差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料加工方法，其特征在于，所述加工輪廓(13，14)是一在要 彼此連接成工件(6)的兩個部件(6a，6b)之間的接縫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的材料加工方法，其特征在于，在權(quán)利要求1的步驟dd)后，e)如此調(diào)節(jié)與所得出的所述有效加工輪廓(14)相應(yīng)的控制參數(shù)，使得在沿所述有效 加工輪廓(14)的方向進展所述相對運動時電子束(11)的工作斑處處都位于所述有效加工 輪廓(14)上；f)然后在適于熱處理的運行參數(shù)下重新實施所述電子束(11)的工作斑與所述工件之 間的所述相對運動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的材料加工方法，其特征在于，所述電子束(11) 的工作斑與所述工件(6)之間的所述相對運動以機械的方式通過所述工件的運動和/或電 子束源( 連同成像元件(3，4，5)的運動來進行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的材料加工方法，其特征在于，所述電子束(11) 的工作斑與所述工件(6)之間的所述相對運動以電的方式通過所述電子束(11)的偏移來 發(fā)生。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的材料加工方法，其特征在于，所述掃描運動的方 向垂直于在所述理想加工輪廓(13)的相應(yīng)點上的切線。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的材料加工方法，其特征在于，在權(quán)利要求1的特 征d)中確定有效加工輪廓(14)之前，利用散射回的電子束產(chǎn)生所述工件(6)的圖像，進而 獲得關(guān)于該工件在系統(tǒng)固有的坐標系內(nèi)的位置的信息，然后以機械或電的方式補償所述位 置與規(guī)定位置的偏差。
全文摘要
本發(fā)明涉及材料熱加工方法，其中以已知方式使電子束工作斑與工件相對運動。在真正熱處理前，通過按理想加工輪廓的存儲數(shù)據(jù)以低能量密度或高速度使電子束工作斑相對工件運動并疊加一橫向于理想加工輪廓的掃描運動，得出有效加工輪廓。測量由工件散射回的電子束的與掃描運動偏移量相關(guān)的強度、由此獲得“展開的”有效加工輪廓的圖像性圖示。這實現(xiàn)了簡單、標準化的評估并易于下面調(diào)節(jié)相應(yīng)于有效加工輪廓的控制參數(shù)，其中電子束工作斑在相對工件運動(沒有掃描運動)的所有點上擊中希望的加工輪廓?，F(xiàn)可在該控制參數(shù)下以足以熱處理的能量密度和/或較低的速度重新使電子束工作斑相對工件運動。以此方式可補償電子束在工件上的擊中點的幾何偏差以及磁偏差。
文檔編號B23K15/00GK102039483SQ20101051895
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者J·法斯, T·羅維爾 申請人:波賓股份公司