基于DIABEAM法的電子束能量密度測(cè)試分析

2010-05-29 付鵬飛華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

　　為了充分發(fā)揮電子束焊接技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的作用,對(duì)反映束流品質(zhì)的關(guān)鍵因素—電子束能量密度開展了研究;基于法拉第傳感原理,通過(guò)DIABEAM測(cè)試法對(duì)真空電子束焊機(jī)電子束能量密度分布進(jìn)行測(cè)試分析;結(jié)果表明:電子束能量密度分布呈非對(duì)稱的近高斯分布,隨著聚焦電流的增加,電子束能量密度趨于發(fā)散分布,達(dá)到焦點(diǎn)狀態(tài)時(shí)dP90區(qū)域內(nèi)電子束能量密度均值最高;電子束能量密度峰值隨著燈絲加熱電流增加而增加,但受燈絲尺寸等因素的影響,燈絲加熱電流達(dá)到穩(wěn)定值后能量密度分布不變。

　　與傳統(tǒng)熔焊相比,真空電子束焊接具有能量密度高、深寬比大、熱影響區(qū)小及焊件變形小等優(yōu)點(diǎn),因此,多年來(lái)真空電子束焊接技術(shù)在航空航天大型復(fù)雜構(gòu)件的研制過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用。隨著過(guò)程控制及穩(wěn)定性等質(zhì)量保證體系的發(fā)展和完善,對(duì)制造業(yè)的缺陷率提出了越來(lái)越高的要求,批量的真空電子束焊接構(gòu)件的質(zhì)量面臨著重要考驗(yàn)。束流品質(zhì)特性不僅會(huì)影響到真空電子束接頭形貌特征,而且對(duì)于降低焊接缺陷幾率、改進(jìn)電子槍結(jié)構(gòu)、發(fā)展新型電子束加工技術(shù)起到了重要作用。電子束束流品質(zhì)特性與電子束能量密度、焦點(diǎn)狀態(tài)密切相關(guān),主要通過(guò)電子束能量密度的形式表現(xiàn)出來(lái)。

　　目前,電子束能量密度測(cè)試方法有探針式測(cè)試法、AB 測(cè)試法、閾值能量密度測(cè)試法以及DIABEAM測(cè)試法。探針式測(cè)試法是利用探針測(cè)量傳導(dǎo)電流密度,以傳導(dǎo)電流描繪電子束流的能量密度分布。

　　探針?lè)ㄖ贿m用于中小功率束流,且測(cè)量的準(zhǔn)確性不高。日本Arata 教授發(fā)明了AB 法,即在測(cè)量時(shí)電子束向下掃過(guò)不同高度豎直放置的斜坡金屬片,通過(guò)金屬片上熔寬痕跡來(lái)測(cè)出電子束軸向的能量分布 ;該方法屬于一種間接的測(cè)試方法,所測(cè)束流不能過(guò)大,測(cè)得的焦點(diǎn)不能完全反映真實(shí)狀態(tài)。閾值能量密度測(cè)試法是在束流和法拉第筒之間利用一個(gè)楔形金屬擋板隔離部分束流,未被擋板擋住的部分束流被法拉第筒接收,測(cè)量的結(jié)果是束流能量密度積分線;該方法是在假設(shè)束流能量密度為高斯分布的前提下,計(jì)算實(shí)際能量密度分布,存在一定的局限。

　　DIABEAM法測(cè)試分析電子束流在漂移空間傳輸時(shí)的各個(gè)不同截面的能量密度分布;傳感器靜止不動(dòng),偏轉(zhuǎn)線圈快速改變電子束流的偏轉(zhuǎn)方向,實(shí)現(xiàn)高速掃描;傳感器接收電子流,所采集的信號(hào)經(jīng)放大、隔離、采集、存儲(chǔ)和處理獲得電子束束斑品質(zhì)的量化特征, 包括束斑直徑和電子束能量密度分布 ;該方法較為直觀準(zhǔn)確,可獲得三維能量密度分布特征。

　　本文通過(guò)DIABEAM 測(cè)試法對(duì)真空電子束焊機(jī)能量密度分布進(jìn)行測(cè)試分析,以表征束流品質(zhì)特征及優(yōu)化工藝,提高鈦合金、鋁合金等輕質(zhì)合金航空材料構(gòu)件的焊接質(zhì)量。

1、試驗(yàn)設(shè)備及原理

　　采用德國(guó)進(jìn)口的DIABEAM測(cè)試儀如圖1 所示。掃描速度、孔徑(或縫隙) 大小與電子束能量密度緊密相關(guān),在掃描速度、孔徑(或縫隙) 一定,所吸收的電子數(shù)量與能量密度成唯一的相關(guān)關(guān)系。測(cè)試原理如圖2 所示。

DIABEAM能量密度測(cè)試儀測(cè)試原理