基于DIABEAM法的电子束能量密度测试分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室 作者:付鹏飞

  为了充分发挥电子束焊接技术在航空航天领域的作用,对反映束流品质的关键因素—电子束能量密度开展了研究;基于法拉第传感原理,通过DIABEAM测试法对真空电子束焊机电子束能量密度分布进行测试分析;结果表明:电子束能量密度分布呈非对称的近高斯分布,随着聚焦电流的增加,电子束能量密度趋于发散分布,达到焦点状态时dP90区域内电子束能量密度均值最高;电子束能量密度峰值随着灯丝加热电流增加而增加,但受灯丝尺寸等因素的影响,灯丝加热电流达到稳定值后能量密度分布不变。

  与传统熔焊相比,真空电子束焊接具有能量密度高、深宽比大、热影响区小及焊件变形小等优点,因此,多年来真空电子束焊接技术在航空航天大型复杂构件的研制过程中发挥了重要的作用。随着过程控制及稳定性等质量保证体系的发展和完善,对制造业的缺陷率提出了越来越高的要求,批量的真空电子束焊接构件的质量面临着重要考验。束流品质特性不仅会影响到真空电子束接头形貌特征,而且对于降低焊接缺陷几率、改进电子枪结构、发展新型电子束加工技术起到了重要作用 。电子束束流品质特性与电子束能量密度、焦点状态密切相关,主要通过电子束能量密度的形式表现出来。

  目前,电子束能量密度测试方法有探针式测试法、AB 测试法、阈值能量密度测试法以及DIABEAM测试法。探针式测试法是利用探针测量传导电流密度,以传导电流描绘电子束流的能量密度分布。

  探针法只适用于中小功率束流,且测量的准确性不高。日本Arata 教授发明了AB 法,即在测量时电子束向下扫过不同高度竖直放置的斜坡金属片,通过金属片上熔宽痕迹来测出电子束轴向的能量分布 ;该方法属于一种间接的测试方法,所测束流不能过大,测得的焦点不能完全反映真实状态。阈值能量密度测试法是在束流和法拉第筒之间利用一个楔形金属挡板隔离部分束流,未被挡板挡住的部分束流被法拉第筒接收,测量的结果是束流能量密度积分线;该方法是在假设束流能量密度为高斯分布的前提下,计算实际能量密度分布,存在一定的局限。

  DIABEAM法测试分析电子束流在漂移空间传输时的各个不同截面的能量密度分布;传感器静止不动,偏转线圈快速改变电子束流的偏转方向,实现高速扫描;传感器接收电子流,所采集的信号经放大、隔离、采集、存储和处理获得电子束束斑品质的量化特征, 包括束斑直径和电子束能量密度分布 ;该方法较为直观准确,可获得三维能量密度分布特征。

  本文通过DIABEAM 测试法对真空电子束焊机能量密度分布进行测试分析,以表征束流品质特征及优化工艺,提高钛合金、铝合金等轻质合金航空材料构件的焊接质量。

1、试验设备及原理

  采用德国进口的DIABEAM测试仪如图1 所示。扫描速度、孔径(或缝隙) 大小与电子束能量密度紧密相关,在扫描速度、孔径(或缝隙) 一定,所吸收的电子数量与能量密度成唯一的相关关系。测试原理如图2 所示。

DIABEAM能量密度测试仪测试原理

图1  DIABEAM能量密度测试仪图2  测试原理

3、讨论

  (1) 受电子枪本身特性的影响,电子束能量密度分布呈非对称的近高斯分布,将会影响焊接接头形貌的对称性。

  (2) 随着聚焦电流的增加, dP90区域内能量密度趋于发散分布,直径逐渐增加,焦点状态的能量密度分布是较高较理想的。

  (3) 受电子枪特性、灯丝尺寸等因素的影响下,随着灯丝加热电流增加,电子束能量密度峰值逐渐增加,灯丝加热电流达到稳定值后能量密度分布状态变化不大。

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