電子束焊接

Advancing Aeronautics Fabrication with Improved Seam Tracking and Beam Control during EB Welding

先進(jìn)航空制造---電子束焊接過程中的焊縫跟蹤和束流控制

未經(jīng)允許，不可轉(zhuǎn)載。

作者:James Bull. 季莉。

波賓電子束。

在當(dāng)今時(shí)代，電子束焊接術(shù)的每一個(gè)進(jìn)步的積累,使人類的航空制造技術(shù)更加的完善和強(qiáng)健。電子束技術(shù)的高穩(wěn)定和高強(qiáng)度的特性使飛行器冶金有了更加先進(jìn)科學(xué)和結(jié)構(gòu)精密的設(shè)計(jì)。如今存在的重要的技術(shù)實(shí)際上是在減少分解，加熱，和殘余應(yīng)力的同時(shí)來減少氫脆變，限制氧氣和氫污染物。電子束焊接技術(shù)作為焊接整合領(lǐng)域的重要技術(shù)，如今已經(jīng)越來越深地影響到航空飛行器的制造和設(shè)計(jì)領(lǐng)域。這其中重要的原因是它有著先進(jìn)的自動(dòng)焊縫跟蹤，射束偏轉(zhuǎn)，多溶池焊接。

每一個(gè)新的機(jī)身，引擎，或者是組裝配件的設(shè)計(jì)都可以考慮用電子束技術(shù)來完成。在機(jī)身設(shè)計(jì)上，與物料選擇最相關(guān)的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是:靜態(tài)強(qiáng)度，飛行彈性，和金屬的疲勞壽命. 焊接最大的特點(diǎn)是當(dāng)使用電子束焊接儀器時(shí)操作員能精準(zhǔn)控制。利用這些精準(zhǔn)的高質(zhì)量?jī)x器，可以將焊接縫實(shí)現(xiàn)控制在很窄的束矢量?jī)?nèi)，從而實(shí)時(shí)有效地減少主要參數(shù)的偏離;其他的控制還包括:速度跟蹤，角度，強(qiáng)度，集中性，描圖，以及熱量特性。在最縝密的規(guī)格操作下的CNC控制系統(tǒng)，是通過背散射 的電子傳感片來傳遞信息，這同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)光譜控制。金屬飛行器件的結(jié)構(gòu)整合和減輕負(fù)重設(shè)計(jì)是目前最大的挑戰(zhàn)，要完成這些需求，電子束技術(shù)是非常重要的因素。

飛行器引擎產(chǎn)業(yè)無可厚非地需要設(shè)計(jì)和建造有價(jià)值的零部件，這些可以包括:鼓狀物，輪子，環(huán)狀物，齒輪，以及機(jī)翼。而這些部件的焊接參數(shù)一旦確定下來，在整個(gè)生產(chǎn)過程中必須保持精確不變。如果沒有成本限制或者新的評(píng)估證明，WPS(焊接，過程，規(guī)格)都不可以輕易改變。對(duì)于焊接制造儀器和電子束焊接設(shè)備也是同理。這主要是因?yàn)橛行┎牧?，比如鎳基高溫合金，是特別為航空燃?xì)廨啓C(jī)制造的，必須在特定的溫度下嚴(yán)格操作。這類超耐熱不銹鋼對(duì)因熱導(dǎo)致的裂開非常的敏感，所以要求整個(gè)過程的參數(shù)，包括焊前和焊接后熱處理，必須嚴(yán)格評(píng)估和備份。而真空室電子束焊接機(jī)恰如其分地實(shí)現(xiàn)地這一要求。

推進(jìn)槽，燃料管理系統(tǒng)，噴嘴，階段槽，微孔膜，注射元件，入口閥和出口閥;所有鈦合金的元器件，都是未來航空平臺(tái)永恒不變的重要組成部分。由于每個(gè)部件的細(xì)微革新，加工的限制規(guī)格和精準(zhǔn)性要求有比較經(jīng)濟(jì)可行而且接近完美無瑕的解決方案。我們所面臨的困擾是:在人工監(jiān)控的操作條件下，人們卻不再能在最佳的焊接速度上精準(zhǔn)地觀測(cè)到焊接縫，所以用設(shè)備控制流程是非常重要的。背散射電子觀測(cè)系統(tǒng)作為一種標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)獲得了全世界普遍的認(rèn)可。在焊接過程中信息搜集，處理和使用所用的方法時(shí)常是關(guān)鍵的問題。用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)零部件的聯(lián)結(jié)和加壓，從而滿足現(xiàn)代航空飛行器不見的更加精準(zhǔn)的加工規(guī)格，使焊接縫看起來不易被肉眼察覺。目前有一種用沖壓底座的技術(shù)制作的鈦部件，整個(gè)過程在車床上完成。用電子束技術(shù)來掃描不僅僅精準(zhǔn)地觀測(cè)到連接位置，而且反映了不同的能被肉眼觀測(cè)的鈦合金。

需要這種精準(zhǔn)加工和電子束焊接技術(shù)的一種典型的產(chǎn)品就是鈦制衛(wèi)星軌道槽。從內(nèi)部連接縫位置上完成精準(zhǔn)縫定位和鑿穿焊接成為了工程師當(dāng)前所面臨的困難，而唯一的解決方法就是長焦距電子束聚焦和在這個(gè)長度上進(jìn)行精準(zhǔn)控制。這么說來，自然而然地又繞回到數(shù)字化控制系統(tǒng)的信息源-背散射電子。傳感器的靈敏度，高精準(zhǔn)的電子數(shù)聚焦，精準(zhǔn)的偏向，軟件的技術(shù)發(fā)展水平和電腦樹枝控制，都是操作者達(dá)到最佳技術(shù)成果的重要因素。

在光學(xué)顯微鏡中，利用電子來代替可見光，在圖像質(zhì)量和信息價(jià)值，可靠性和利用率方面有很大的優(yōu)勢(shì)。第一，利用電子束放大的倍率可以達(dá)到20,000x，而利用可見光的放大倍率只有1000 x。散射電子的特征是:利用被檢查物體表面的電子核相互作用的彈性，散射電子角度范圍可以達(dá)到180度，但是平均散射角度為5度。通過這種方式，一小部分散射的原子的原子序數(shù)Z發(fā)生了強(qiáng)烈的改變，通過這種方式可以對(duì)原材料做鑒定比較。這就是所謂的原子序數(shù)特征對(duì)比。這就是為什么電子束焊接機(jī)中需要安裝檢測(cè)板來收集散射電子的原因。軟件和CNC系統(tǒng)可以利用這些準(zhǔn)確的信息來控制焊接參數(shù)。

收集的信息以數(shù)字形式顯示了電子束流與高能電子的彈性散射的采樣樣本，次電子非彈性散射的采樣樣本以及電磁輻射的采樣樣本之間的能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系。每種能量來源都可以用專門的傳感器檢測(cè)到并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。吸收的束射電流也可以被檢測(cè)和測(cè)量。各種電子放大器采用數(shù)字化的CRT顯示器信號(hào)，可以創(chuàng)建重要的的信號(hào)強(qiáng)度分布圖。操作人員利用高分辨率的CRT作為其監(jiān)測(cè)設(shè)備，與此同時(shí)，數(shù)字信號(hào)傳輸給CNC系統(tǒng)用于回路控制的監(jiān)測(cè)和反饋?，F(xiàn)今，無線傳感器放置于真空工作室中來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)光束對(duì)準(zhǔn)。該專利在焊縫準(zhǔn)確度方面實(shí)現(xiàn)了800%超越最好的手動(dòng)操作。因此，該技術(shù)具有可靠性更高，在熱能輸入控制方面優(yōu)勢(shì)明顯，在熱能輸入與熱能影響區(qū)域低變形的特點(diǎn)。

在焊接過程中，利用高速電子束束流偏離來打出獨(dú)立的多孔，其間電子束偏離以及多溶池焊接過程中的電子束混合尤為重要?？刂栖浖涂刂剖鞣较虻钠x板對(duì)焊縫的復(fù)雜的曲線熱分布的控制起到了關(guān)鍵的作用。只有非常熟練的控制才能完成包括飛機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜任務(wù)。因此，專業(yè)人員用電子束焊接機(jī)來設(shè)計(jì)完成特殊的任務(wù)。

信息周期的簡(jiǎn)單描述為一個(gè)奇特的電子作為能源做完整的周期運(yùn)動(dòng)，載波從電子束發(fā)生器出發(fā)通過聚焦線圈到達(dá)工件表面，反射到傳感器，從傳感器轉(zhuǎn)化成數(shù)字電路，通過軟件傳遞到CNC機(jī)電控制系統(tǒng)，然后循環(huán)進(jìn)入能量發(fā)生器并回到陰極能量發(fā)生器用于再生能源。最后將能量用于焊接的孔。

一個(gè)非常特殊的例子

如果焊接件有一定的加工要求，那么在完成這個(gè)周期的同時(shí)需要克服焊接過程的熱變形、熱收縮、加工過程輕微缺陷、機(jī)器位移導(dǎo)致的變化。當(dāng)我們可以保證復(fù)制我們的工序時(shí)，安全系數(shù)才會(huì)確定下來。在整個(gè)電子束焊接過程中，真空室與CNC以及束流和焊縫跟蹤電腦控制系統(tǒng)相連，保證了焊接的可復(fù)制性和可重復(fù)性。

未經(jīng)允許，不可轉(zhuǎn)載。

作者:James Bull. 季莉。

波賓電子束。