蔡樹立 張向東

摘要：尋找電子束焊焊接點(diǎn)的聚焦?fàn)顟B(tài)，是電子束焊機(jī)操作使用的關(guān)鍵問題也是難題。為了快速自動(dòng)地找到電子束焊接位置的聚焦?fàn)顟B(tài)，本文基于電子束聚焦與焊接距離的關(guān)系以及電子束聚焦與加速電壓之間的關(guān)系進(jìn)行理論分析，根據(jù)現(xiàn)場采集的聚焦電流、聚焦距離、加速電壓選擇的數(shù)據(jù)，建立了專家?guī)煜到y(tǒng)，編制自動(dòng)聚焦調(diào)節(jié)軟件，實(shí)現(xiàn)了電子束設(shè)備自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：電子束;自動(dòng)調(diào)焦;聚焦電流

0 引言

電子束焊接有很多優(yōu)點(diǎn)：線能量密度高，焊縫深寬比大、真空焊接，不會污染工件、不需要填料，不會產(chǎn)生化合物雜質(zhì)等。在核工業(yè)、航空航天、精密制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

優(yōu)秀的焊縫效果，需要選用合適穩(wěn)定的焊接參數(shù)。特別是合理的聚焦選擇，更是穩(wěn)定焊接的重要參數(shù)。目前，國際國內(nèi)設(shè)備廠商提供的電子束焊機(jī)，都沒有自動(dòng)聚焦功能，聚焦效果的確定，需要操作工人眼觀察選擇聚焦電流。

對于新工件的焊接，通常是將工件放到焊接室內(nèi)，抽真空滿足下束條件后，先在工件焊接表面同一平面上，下小束流，通過觀察束斑大小、束流轟擊工件表面后飛濺大小、束流顏色變化等，從而確定聚焦電流。用該聚焦電流焊接的工件，不一定會取得最佳焊接效果，因此還需要在該聚焦電流周圍，上下分層次選取不同梯度數(shù)值，再進(jìn)行多次試驗(yàn)，然后將焊接工件拿出焊接室，解剖分析焊縫金相，選取最佳參數(shù)。

對于經(jīng)過嚴(yán)格試驗(yàn)和選擇確認(rèn)后的工藝參數(shù)，將包括聚焦電流在內(nèi)的其他焊接工藝參數(shù)一起固定規(guī)范，可以批量焊接。但是，現(xiàn)場往往發(fā)現(xiàn)，固定的工藝參數(shù)，并不能保證100%的批量焊接合格率。這是因?yàn)檎婵斩鹊淖兓?、陰極組件的安裝距離變化、陰極組件在加熱后的熱變形等因素的影響，都會引起聚焦效果的變化。

本文提出一種自動(dòng)聚焦裝置，能夠減少人為干擾，提高現(xiàn)場工作效率，適應(yīng)陰極組件變化的影響。

1研究方法

1.1 自動(dòng)聚焦裝置的理論基礎(chǔ)

電子束聚焦屬于電磁聚焦，跟光學(xué)聚焦具有同樣的工作原理，其數(shù)值關(guān)系為：

其中f為聚焦線圈的焦距;p為電子槍陰極靜電束斑到聚焦線圈中心面的距離，由電子槍機(jī)械結(jié)構(gòu)決定;q 代表電磁束斑到聚焦線圈中心面的距離，也就是電磁聚焦的聚焦距離。

根據(jù)聚焦線圈的理論安匝數(shù)計(jì)算原則為[1]：

其中U為電子槍工作加速電壓;d為聚焦線圈平均機(jī)械直徑;f為聚焦線圈聚焦焦距;為工程系數(shù);為聚焦線圈有效匝數(shù);為聚焦電流。

當(dāng)電子束焊機(jī)設(shè)備安裝調(diào)試完成并交付用戶使用時(shí)，f、p、N、F為固定的數(shù)值，不會發(fā)生變化，也就是說，電磁聚焦距離q只跟電子槍工作加速電壓U和聚焦電流有關(guān)系。因此，結(jié)合公式1和公式2，可以求的：

2 研究結(jié)果與討論

2.1數(shù)據(jù)收集工程化處理

工程實(shí)踐中，電子槍加工誤差、裝配累計(jì)誤差、測量累計(jì)誤差、參數(shù)選擇誤差等因素，都會影響理論計(jì)算的精度。因此對于公式3，根據(jù)其自變量和因變量之間的關(guān)系，需要通過實(shí)際測量，擬合曲線，確定并再驗(yàn)證系數(shù)，是比較好、符合工程實(shí)踐的思路。

將公式3，整理出更符合工程測量的形式：

其中A、B、C為系數(shù);為了方便工程測量，q1定義為可測聚焦距離，即工件焊接表面與焊接室底部的距離;U為電子槍工作加速電壓;為聚焦電流。

2.2數(shù)據(jù)收集

在桂林獅達(dá)電子束焊機(jī)thdw3上，選取加速電壓70kv，測量聚焦電流和聚焦距離的關(guān)系。試驗(yàn)電子槍相關(guān)參數(shù)如表1所示。

聚焦點(diǎn)的確定，可以采用三種方式：

2.2.1做一個(gè)可以調(diào)節(jié)高度的支架，將表面光潔度較高的不銹鋼板放到支架上，測量不銹鋼板表面到焊接室頂部的距離，記錄h1。然后抽真空，下小束流，通過眼睛觀察焊接反射的飛濺大小，移動(dòng)不銹鋼板，同時(shí)調(diào)節(jié)聚焦電流，選取飛濺最大時(shí)所對應(yīng)的聚焦電流，此聚焦電流為聚焦距離h1所對應(yīng)的粗選聚焦電流。

2.2.2做一個(gè)可以調(diào)節(jié)高度的支架，將厚度為0.2mm紫銅箔安裝在支架上，要求紫銅箔表面平整張開，以取得最佳焊接效果。測量紫銅箔表面到焊接室頂部的距離，記錄h2，要求此距離跟h1相等，以便于聚焦電流比較。然后抽真空，下小束流。束流的起弧時(shí)間，焊接時(shí)間和收弧時(shí)間都固定不變，并且時(shí)間不能太長，以剛好熔化銅箔為選擇基礎(chǔ)。移動(dòng)紫銅箔，同時(shí)調(diào)節(jié)聚焦電流。聚焦電流的選取以為參考中值，上下每間隔1mA，下束各打一個(gè)點(diǎn)，共下束打點(diǎn)20次。打開焊接室，拿出銅箔，對比分析打點(diǎn)效果。取銅箔下束打孔孔徑最小、圓度最好為最佳，該點(diǎn)所對應(yīng)的聚焦電流為為，此聚焦電流為聚焦距離h1所對應(yīng)的精選聚焦電流。

2.2.3聚焦距離h1所對應(yīng)的精選聚焦電流驗(yàn)證。

可以用兩種方式驗(yàn)證。

第一種：反射電子驗(yàn)證法。

電子束轟擊金屬表面后，金屬不會全部吸收電子，其中一部分電子會被反射回來。反射電子可以采用一個(gè)紫銅板機(jī)構(gòu)接收。該接收機(jī)構(gòu)通過一個(gè)比較小的精密電阻，聯(lián)通大地。反射電子流通精密電阻，產(chǎn)生電壓，測量該電壓，就可以測算出反射電子所產(chǎn)生的電流大小。聚焦?fàn)顟B(tài)時(shí)，電子束束斑最小，反射率最大，產(chǎn)生的反射電子最多。測量最大的反射電子所產(chǎn)生的電壓，此時(shí)所對應(yīng)的聚焦電流即為最佳聚焦電流。

第二種：工件焊接試驗(yàn)法。

其他參數(shù)保持不變的情況下，變化聚焦電流，在不銹鋼光潔表面，用小束流焊接直線焊縫。最佳聚焦電流所對應(yīng)的焊縫，其寬度最細(xì)。

2.4曲線擬合

聚焦距離與聚焦電流曲線擬合。

不同電子束焊機(jī)對應(yīng)不同的可焊接距離。一般情況下，可焊接距離為焊接室底部50mm到工作臺頂部平面。在這段可焊接距離內(nèi)，每個(gè)10mm測量一個(gè)最佳聚焦電流。將所有不同聚焦距離與所對應(yīng)的最佳聚焦電流全部測量完成，然后列表，按照公式4進(jìn)行曲線擬合。

不同高電壓情況下，聚焦距離與聚焦電流的曲線關(guān)系。

由公式4可知，相同聚焦距離情況下，最佳聚焦電流與加速電壓的關(guān)系為。其中f（q）代表聚焦距離的函數(shù)，在聚焦距離確認(rèn)不變時(shí)，可以當(dāng)作常數(shù)對待。

為了驗(yàn)證公式的合理性和可靠性，采用上述2.2.1～2.2.3相同的方法，對于加速電壓對于聚焦電流的影響也做了驗(yàn)證，試驗(yàn)表明公式4中倍關(guān)系科學(xué)合理。

2.5專家系統(tǒng)軟件編制

利用曲線擬合方法能夠取得公式4中系數(shù)A、B、C。

可以采用兩種方式編制專家系統(tǒng)軟件。

用戶僅僅配置由plc的，可以將公式4和A、B、C都保持到plc中，在確認(rèn)聚焦距離后，需要提供最佳聚焦電流時(shí)，用公式進(jìn)行計(jì)算得到。

用戶配備有工控機(jī)的情況下，將公式4和A、B、C都都做到工控機(jī)軟件中。工控機(jī)因?yàn)榇鎯臻g和運(yùn)行空間都比較大，可以實(shí)時(shí)計(jì)算，還能夠?qū)⑺幸延?jì)算、已使用、已驗(yàn)證過的曲線數(shù)據(jù)保持到數(shù)據(jù)庫中，以備后期人工智能統(tǒng)計(jì)分析。

2.2自動(dòng)聚焦裝置的實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證

3.1距離測算方式

聚焦距離的測量，采用紅外線測距儀或者激光測距儀。將測距儀垂直安裝在焊接室頂部，用通訊聯(lián)通電子束焊機(jī)plc。當(dāng)用戶放入新的工件到焊接室后，先將工件移動(dòng)到測距下測距，根據(jù)選擇的加速電壓等級，可以實(shí)時(shí)計(jì)算出最佳聚焦電流參數(shù)。

3.2實(shí)際使用方法

通過以上方式提供的聚焦電流，還會因?yàn)檎婵斩鹊淖兓?、陰極組件的安裝距離變化、陰極組件在加熱后的熱變形等因素的影響，引起一定的誤差。所以該裝置配備有反射電子收集裝置。當(dāng)用戶發(fā)現(xiàn)聚焦有偏差時(shí)，可以利用反射電子進(jìn)一步細(xì)調(diào)聚焦電流。

3.3工程實(shí)踐

該裝置已在3臺電子束焊機(jī)設(shè)備上實(shí)際使用超過3個(gè)月?，F(xiàn)場操作人員反映，該系統(tǒng)的使用具有很強(qiáng)的實(shí)用性，運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)生了較好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 張業(yè)成，周琦，彭勇，焊接用三極電子槍設(shè)計(jì)及電磁聚焦系統(tǒng)研究，機(jī)械制造，.2017.04.003