電子束焊接設備自動調焦系統的研發制造

蔡樹立 張向東

摘要：尋找電子束焊焊接點的聚焦狀態，是電子束焊機操作使用的關鍵問題也是難題。為了快速自動地找到電子束焊接位置的聚焦狀態，本文基于電子束聚焦與焊接距離的關系以及電子束聚焦與加速電壓之間的關系進行理論分析，根據現場采集的聚焦電流、聚焦距離、加速電壓選擇的數據，建立了專家庫系統，編制自動聚焦調節軟件，實現了電子束設備自動調焦系統。

關鍵詞：電子束;自動調焦;聚焦電流

0 引言

電子束焊接有很多優點：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，不會產生化合物雜質等。在核工業、航空航天、精密制造業中得到廣泛應用。

優秀的焊縫效果，需要選用合適穩定的焊接參數。特別是合理的聚焦選擇，更是穩定焊接的重要參數。目前，國際國內設備廠商提供的電子束焊機，都沒有自動聚焦功能，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，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值，再進行多次試驗，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。

對于經過嚴格試驗和選擇確認后的工藝參數，將包括聚焦電流在內的其他焊接工藝參數一起固定規范，可以批量焊接。但是，現場往往發現，固定的工藝參數，并不能保證100%的批量焊接合格率。這是因為真空度的變化、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。

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

1研究方法

1.1 自動聚焦裝置的理論基礎

電子束聚焦屬于電磁聚焦，跟光學聚焦具有同樣的工作原理，其數值關系為：

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，由電子槍機械結構決定;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。

根據聚焦線圈的理論安匝數計算原則為[1]：

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

當電子束焊機設備安裝調試完成并交付用戶使用時，f、p、N、F為固定的數值，不會發生變化，也就是說，電磁聚焦距離q只跟電子槍工作加速電壓U和聚焦電流有關系。因此，結合公式1和公式2，可以求的：

2 研究結果與討論

2.1數據收集工程化處理

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

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;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數據收集

在桂林獅達電子束焊機thdw3上，選取加速電壓70kv，測量聚焦電流和聚焦距離的關系。試驗電子槍相關參數如表1所示。

聚焦點的確定，可以采用三種方式：

2.2.1做一個可以調節高度的支架，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，移動不銹鋼板，同時調節聚焦電流，選取飛濺最大時所對應的聚焦電流，此聚焦電流為聚焦距離h1所對應的粗選聚焦電流。

2.2.2做一個可以調節高度的支架，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。束流的起弧時間，焊接時間和收弧時間都固定不變，并且時間不能太長，以剛好熔化銅箔為選擇基礎。移動紫銅箔，同時調節聚焦電流。聚焦電流的選取以為參考中值，上下每間隔1mA，下束各打一個點，共下束打點20次。打開焊接室，拿出銅箔，對比分析打點效果。取銅箔下束打孔孔徑最小、圓度最好為最佳，該點所對應的聚焦電流為為，此聚焦電流為聚焦距離h1所對應的精選聚焦電流。

2.2.3聚焦距離h1所對應的精選聚焦電流驗證。

可以用兩種方式驗證。

第一種：反射電子驗證法。

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紫銅板機構接收。該接收機構通過一個比較小的精密電阻，聯通大地。反射電子流通精密電阻，產生電壓，測量該電壓，就可以測算出反射電子所產生的電流大小。聚焦狀態時，電子束束斑最小，反射率最大，產生的反射電子最多。測量最大的反射電子所產生的電壓，此時所對應的聚焦電流即為最佳聚焦電流。

第二種：工件焊接試驗法。

其他參數保持不變的情況下，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的焊縫，其寬度最細。

2.4曲線擬合

聚焦距離與聚焦電流曲線擬合。

不同電子束焊機對應不同的可焊接距離。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，每個10mm測量一個最佳聚焦電流。將所有不同聚焦距離與所對應的最佳聚焦電流全部測量完成，然后列表，按照公式4進行曲線擬合。

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系為。其中f（q）代表聚焦距離的函數，在聚焦距離確認不變時，可以當作常數對待。

為了驗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證，試驗表明公式4中倍關系科學合理。

2.5專家系統軟件編制

利用曲線擬合方法能夠取得公式4中系數A、B、C。

可以采用兩種方式編制專家系統軟件。

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，在確認聚焦距離后，需要提供最佳聚焦電流時，用公式進行計算得到。

用戶配備有工控機的情況下，將公式4和A、B、C都都做到工控機軟件中。工控機因為存儲空間和運行空間都比較大，可以實時計算，還能夠將所有已計算、已使用、已驗證過的曲線數據保持到數據庫中，以備后期人工智能統計分析。

2.2自動聚焦裝置的實現和驗證

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，用通訊聯通電子束焊機plc。當用戶放入新的工件到焊接室后，先將工件移動到測距下測距，根據選擇的加速電壓等級，可以實時計算出最佳聚焦電流參數。

3.2實際使用方法

通過以上方式提供的聚焦電流，還會因為真空度的變化、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。當用戶發現聚焦有偏差時，可以利用反射電子進一步細調聚焦電流。

3.3工程實踐

該裝置已在3臺電子束焊機設備上實際使用超過3個月。現場操作人員反映，該系統的使用具有很強的實用性，運行穩定，產生了較好的社會經濟效益。

參考文獻

[1] 張業成，周琦，彭勇，焊接用三極電子槍設計及電磁聚焦系統研究，機械制造，.2017.04.003