電子束焊接束流品質(zhì)測(cè)試方法及系統(tǒng)研究.pdf

1、電子束是由電子槍陰極產(chǎn)生并經(jīng)高壓加速形成的密集高速電子流，其電子流分布與狀態(tài)決定了電子束的沖擊力、熱傳導(dǎo)與交換、等離子體產(chǎn)生等一系列物理現(xiàn)象和過程，直接影響電子束焊接成形質(zhì)量，是電子槍、電子束電源、電子束焊接工藝優(yōu)劣的重要評(píng)價(jià)參數(shù);電子束功率密度的三維分布較好的表述了電子流的分布及其狀態(tài)特征，代表了電子束品質(zhì)，電子束功率密度分布的檢測(cè)方法和裝置是研究電子束裝備、設(shè)計(jì)焊接工藝、提高焊接質(zhì)量的最為有效的技術(shù)手段。但焊接電子束功率密度106～

2、109W/cm2，測(cè)試難度高，一直是電子束加工技術(shù)研究領(lǐng)域的難點(diǎn)。
　　 本文提出了一種電子束高速偏轉(zhuǎn)掃描、微米級(jí)孔（線）收集不同“點(diǎn)”電子的功率密度分布測(cè)試方法，即電子束高速偏轉(zhuǎn)掃描于新型法拉第筒傳感器檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了束流截面功率密度分布的測(cè)量，新型傳感器結(jié)構(gòu)有效的阻止了二次電子和背散射電子的逸出。
　　 本文分析了電子束電磁偏轉(zhuǎn)掃描原理，在品質(zhì)測(cè)試的小角度偏轉(zhuǎn)(α＜6°)條件下，電子束偏轉(zhuǎn)角度與驅(qū)動(dòng)偏轉(zhuǎn)線圈勵(lì)磁電流成

3、線性比例關(guān)系，偏轉(zhuǎn)線圈磁芯結(jié)構(gòu)與材料決定了磁場(chǎng)的均勻性，是影響電子束偏轉(zhuǎn)精度的關(guān)鍵因素;本文設(shè)計(jì)了4極靴、12極靴和24極靴三種線圈磁芯結(jié)構(gòu)，并采用有限元方法進(jìn)行了模擬仿真和優(yōu)化，偏轉(zhuǎn)掃描線圈中心區(qū)域磁場(chǎng)最低，隨半徑增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度增量百分比增大，如半徑5mm處，4極靴、12極靴、24極靴結(jié)構(gòu)磁感應(yīng)強(qiáng)度增量百分比分別為1.30％、1.08％、0.92％，表明增加線圈的極靴數(shù)目可以提高磁場(chǎng)的均勻性。研制了鐵基非晶軟磁材料的24極靴偏轉(zhuǎn)線圈

4、磁芯，計(jì)算了線圈磁場(chǎng)分布，設(shè)計(jì)極靴安匝數(shù)為24，每個(gè)極靴上線圈匝數(shù)為12匝，偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)表明：線圈X方向和Y方向的偏轉(zhuǎn)系數(shù)（同一高度下偏轉(zhuǎn)距離與勵(lì)磁電流的商）分別為0.06和0.064，實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁電流直接控制偏轉(zhuǎn)距離，并為后續(xù)功率密度分布信號(hào)的空間標(biāo)定提供了依據(jù)。
　　 本文研制了基于CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）的電子束高速偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件由工控機(jī)，CPLD主控電路、D/A電路、低通濾波電路、光電隔離電路以及功率放大器組成

5、，實(shí)現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)掃描模式的自主設(shè)計(jì)。CPLD電路基于塊的設(shè)計(jì)方法，分為分頻、波形發(fā)生和采集卡控制、UART（通用異步收發(fā)器）通信三個(gè)功能模塊。系統(tǒng)最大偏轉(zhuǎn)掃描頻率達(dá)到15.6 kHz，以傳感器到線圈標(biāo)準(zhǔn)距離300 mm為例，最大偏轉(zhuǎn)掃描速度1980 m/s。測(cè)試結(jié)果表明：采集卡觸發(fā)信號(hào)、采樣信號(hào)、偏轉(zhuǎn)控制波形實(shí)現(xiàn)了相位的同步。
　　 針對(duì)電子束高速偏轉(zhuǎn)掃描法拉第筒傳感的微電流信號(hào)，研制了微信號(hào)傳感放大和高頻采集電路系統(tǒng)。微信號(hào)放大電

6、路由信號(hào)切換、微信號(hào)放大和增益控制等電路組成，信號(hào)切換擴(kuò)展了束流的收集方式，實(shí)現(xiàn)了孔收集或縫收集，微信號(hào)放大倍數(shù)可調(diào)、最大達(dá)200倍，相對(duì)誤差1.59％，使5～100mA束流信號(hào)均可放大到伏級(jí)。高頻采集與偏轉(zhuǎn)控制電路共享外部時(shí)鐘源，開發(fā)了電子束偏轉(zhuǎn)控制信號(hào)采集的觸發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的高速采集與傳輸。設(shè)計(jì)研究了高速采集信號(hào)的預(yù)處理軟件，具有軟件濾波、數(shù)據(jù)分割、信號(hào)標(biāo)定等功能，實(shí)現(xiàn)了與掃描信號(hào)的同步數(shù)據(jù)分割和掃描距離標(biāo)定。
　　 論

7、文以聯(lián)合正態(tài)分布函數(shù)作為電子束流橫截面功率密度分布的基本模型，研究了電子束橫截面功率密度分布的計(jì)算機(jī)多維圖形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了橫截面功率密度分布的立體顯示，開發(fā)了等值線計(jì)算、跟蹤、繪制等功能，利用OpenGL數(shù)據(jù)可視化實(shí)現(xiàn)了截面功率密度分布的網(wǎng)格、實(shí)體、投影顯示方式和圖形的旋轉(zhuǎn)、縮放功能。在截面功率密度分布的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Marching Cubes算法和三角面片模式對(duì)電子束空間功率密度分布進(jìn)行三維重構(gòu)，提出空間點(diǎn)的鼠標(biāo)拾取方法，實(shí)現(xiàn)了電子束流

8、三維重構(gòu)空間任意兩點(diǎn)距離的測(cè)量和束腰仿真。對(duì)ZD150-15A型電子束焊機(jī)電子束流進(jìn)行了測(cè)試，在加速電壓150kV，束流15mA，聚焦電流360mA，工作距離214mm條件下，幅值法和積分法定義的截面等效直徑分別為d10=0.54mm，dP90=0.63mm，截面功率密度分布為具有旋轉(zhuǎn)角度的雙峰橢圓高斯分布，最大峰值分別為18541.6W/mm2、17934.2W/mm2，雙橢圓中心坐標(biāo)分別為(0.891，0.950，348.91)、(