高能束焊机束流空间形态测量方法

摘要

本发明提供了一种高能束焊机束流空间形态测量方法，包含以下步骤：焦点校正步骤：对高能束焊机的焦点进行校正；试焊调整步骤：使用高能束焊机进行试焊获得十字焊缝，根据十字焊缝调节监视屏幕中的十字叉线的位置；模拟焊接步骤：使用高能束焊机对圆片进行施焊，记录多个圆片分别出现灼伤时的形位数据；数据处理步骤：根据形位数据，获取高能束焊机的束流空间形态图。本发明综合应用了移抬脉冲式校正焦点、十字连续式校正叉线、逼近切圆式观测束径等技术，在不借助贵重专门仪器的前提下，通过极低成本的实验方式测得各类高能束焊机的束流形态，为型号产品结构设计提供了定量化的依据。

权利要求

1.一种高能束焊机束流空间形态测量方法，其特征在于，包含以下步骤：焦点校正步骤：使用校正板对高能束焊机的焦点进行校正；

试焊调整步骤：使用高能束焊机进行试焊获得十字焊缝，根据十字焊缝调节监视屏幕中的十字叉线的位置；

模拟焊接步骤：使用高能束焊机对圆片进行施焊，记录多个圆片分别出现灼伤时的形位数据；

数据处理步骤：根据形位数据，获取高能束焊机的束流空间形态图；

所述高能束焊机包含以下任一种结构：激光焊机：包含加工头；

电子束焊机：包含阴极；

高能束焊机为激光焊机时，所述校正板为铝板；

高能束焊机为电子束焊机时，所述校正板为钨板；

所述模拟焊接步骤包含以下步骤：参数设定步骤：对加工头或阴极的行进轨迹与输出参数进行设定；

数据记录步骤：将激光头或阴极垂直向外移动设定距离，然后正式下束施焊；焊后观察圆片切点位置是否有灼伤痕迹，若无则将激光头或阴极向圆片靠近设定距离并再次施焊，直至出现灼伤为止，并记录形位数据；

圆片叠加采集步骤：增加圆片，重复执行数据记录步骤，直至达到设定次数为止；

所述数据记录步骤中，激光头或阴极垂直向外移动距离为S，激光头或阴极每次向圆片靠近的设定距离为s，形位数据包含当前的圆片数量P和焊接次数Q；

圆片叠加采集步骤中，增加的圆片放置在前一块圆片的上方，单个圆片的厚度为t；

数据处理步骤中，根据束流当前横截面的高度P*t与束流当前横截面的半径S‑Q*s这两个数据，获取高能束焊机的束流空间形态图。

2.根据权利要求1所述的高能束焊机束流空间形态测量方法，其特征在于，还包含以下步骤：

校正板预处理步骤：对校正板进行表面处理；

校正板安装步骤：将校正板置于高能束焊机内的待焊平台上，令校正板的上表面高度与待焊平台的卡盘的中心相同，并用量具保证校正板上表面的水平度；

图像清晰调节步骤：移动加工头或阴极，将监视屏幕中的叉线中心对准校正板的一角；

调整加工头或摄像头的位置，确保监视屏幕中的校正板图像最清晰。

3.根据权利要求1所述的高能束焊机束流空间形态测量方法，其特征在于，所述焦点校正步骤包含以下任一步骤：

激光焊机焦点校正步骤：移动加工头，在校正板上加工焊点，找出多个焊点中直径最小点，并使加工头运动至加工该直径最小点时所处的位置；

电子束焊机焦点校正步骤：一边输出焊接束流一边增减聚焦束流，待监视屏幕中反射光斑面积最大时停止输出焊接束流，记录此时的聚焦束流值。

4.根据权利要求1所述的高能束焊机束流空间形态测量方法，其特征在于，试焊调整步骤中，在试焊板上进行试焊，试焊起始点和结束点都处于十字焊缝的交会中心；

将监视屏幕中的十字叉线与十字焊缝的两条中线进行比对，先解锁十字叉线，再对十字叉线的位置进行移动校正，最后锁定十字叉线。

5.根据权利要求1所述的高能束焊机束流空间形态测量方法，其特征在于，还包含公式拟合步骤：对束流空间形态图进行数学拟合，得到高能束焊机束流的有效曲线公式。

6.根据权利要求3所述的高能束焊机束流空间形态测量方法，其特征在于，当校正板为铝板时，在校正板预处理步骤中，将铝板经阳极氧化处理成黑色。

说明书

高能束焊机束流空间形态测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高能束焊领域，具体地，涉及一种高能束焊机束流空间形态测量方法。

背景技术

[0002] 随着大推力技术的快速发展，当前空间推进系统中的高能束焊接(激光焊、电子束焊)接头越来越多。这些接头的焊缝几何形态一般较为简单，但焊缝的附近往往存在着一些
较高的凸台，如图1所示，由于激光束和电子束在空间中为倒圆锥形收束状态，因此对于某
些凸台过于靠近焊缝的焊接结构，大概率会出现凸台边缘遭受灼伤的情况。现有技术在工
艺方面没有相关的数据储备的情况下，不能定量地描述激光束和电子束在焊缝上方的能量
分布形态，导致无法提前对产品设计人员做出技术要求，因此急需一种专项工艺技术测量
方法，以期待能绘制出所内若干台高能束焊机的束流形态，从而为产品结构的优化提供精
确的理论支持。

发明内容

[0003] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高能束焊机束流空间形态测量方法。

[0004] 根据本发明提供的高能束焊机束流空间形态测量方法，包含以下步骤：

[0005] 焦点校正步骤：对高能束焊机的焦点进行校正；

[0006] 试焊调整步骤：使用高能束焊机进行试焊获得十字焊缝，根据十字焊缝调节监视屏幕中的十字叉线的位置；

[0007] 模拟焊接步骤：使用高能束焊机对圆片进行施焊，记录多个圆片分别出现灼伤时的形位数据；

[0008] 数据处理步骤：根据形位数据，获取高能束焊机的束流空间形态图。

[0009] 优选地，所述高能束焊机包含以下任一种结构：

[0010] 激光焊机：包含加工头；

[0011] 电子束焊机：包含阴极；

[0012] 高能束焊机为激光焊机时，所述校正板为铝板；

[0013] 高能束焊机为电子束焊机时，所述校正板为钨板。

[0014] 优选地，还包含以下步骤：

[0015] 校正板预处理步骤：对校正板进行表面处理；

[0016] 校正板安装步骤：将校正板置于高能束焊机内的待焊平台上，令校正板的上表面高度与待焊平台的卡盘的中心相同，并用量具保证校正板上表面的水平度；

[0017] 图像清晰调节步骤：移动加工头或阴极，将监视屏幕中的叉线中心对准校正板的一角；调整加工头或摄像头的位置，确保监视屏幕中的校正板图像最清晰。

[0018] 优选地，所述焦点校正步骤包含以下任一步骤：

[0019] 激光焊机焦点校正步骤：移动加工头，在校正板上加工焊点，找出多个焊点中直径最小点，并使加工头运动至加工该直径最小点时所处的位置；

[0020] 电子束焊机焦点校正步骤：一边输出焊接束流一边增减聚焦束流，待监视屏幕中反射光斑面积最大时停止输出焊接束流，记录此时的聚焦束流值。

[0021] 优选地，试焊调整步骤中，在试焊板上进行试焊，试焊起始点和结束点都处于十字焊缝的交会中心；

[0022] 将监视屏幕中的十字叉线与十字焊缝的两条中线进行比对，先解锁十字叉线，再对十字叉线的位置进行移动校正，最后锁定十字叉线。

[0023] 优选地，模拟焊接步骤包含以下步骤：

[0024] 参数设定步骤：对加工头或阴极的行进轨迹与输出参数进行设定；

[0025] 数据记录步骤：将激光头或阴极垂直向外移动设定距离，然后正式下束施焊；焊后观察圆片切点位置是否有灼伤痕迹，若无则将激光头或阴极向圆片靠近设定距离并再次施
焊，直至出现灼伤为止，并记录形位数据；

[0026] 圆片叠加采集步骤：增加圆片，重复执行数据记录步骤，直至达到设定次数为止。

[0027] 优选地，所述数据记录步骤中，激光头或阴极垂直向外移动距离为S，激光头或阴极每次向圆片靠近的设定距离为s，形位数据包含当前的圆片数量P和焊接次数Q；

[0028] 圆片叠加采集步骤中，增加的圆片放置在前一块圆片的上方，单个圆片的厚度为t。

[0029] 优选地，数据处理步骤中，根据束流当前横截面的高度P*t与束流当前横截面的半径S‑Q*s这两个数据，获取高能束焊机的束流空间形态图。

[0030] 优选地，还包含公式拟合步骤：对束流空间形态图进行数学拟合，得到高能束焊机束流的有效曲线公式。

[0031] 优选地，当校正板为铝板时，在校正板预处理步骤中，将铝板经阳极氧化处理成黑色。

[0032] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0033] 1、本发明综合应用了移抬脉冲式校正焦点、十字连续式校正叉线、逼近切圆式观测束径等技术，在不借助贵重专门仪器的前提下，通过极低成本的实验方式测得各类高能
束焊机的束流形态，为型号产品结构设计提供了定量化的依据。

[0034] 2、本发明避免了零件结构设计有误时出现的遮挡烧伤现象，解决了焊接科研生产时容易出现的质量难题。

[0035] 3、本发明能够普遍适用于常见的气/固/半导体/光纤式激光焊机和中/高真空电子束焊机。

附图说明

[0036] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0037] 图1为现有技术中产品生产质量问题示意图；

[0038] 图2为本发明实施例中激光束多次行进轨迹示意图；

[0039] 图3为本发明实施例中HL2006D型固体激光焊机输出束流空间形态测绘图；

[0040] 图4为高能束焊机束流空间形态测量方法流程图。

[0041] 图中示出：1为圆片；a为光束行进轨道1；b为光束行进轨道2。

具体实施方式

[0042] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术
人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明
的保护范围。

[0043] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位
置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须
具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0044] 如图4所示，本发明提供的高能束焊机束流空间形态测量方法，包含以下步骤：焦点校正步骤：对高能束焊机的焦点进行校正；试焊调整步骤：使用高能束焊机进行试焊获得
十字焊缝，根据十字焊缝调节监视屏幕中的十字叉线的位置；模拟焊接步骤：使用高能束焊
机对圆片进行施焊，记录多个圆片分别出现灼伤时的形位数据；数据处理步骤：根据形位数
据，获取高能束焊机的束流空间形态图。实施例中，所述高能束焊机包含以下任一种结构：
激光焊机：包含加工头；电子束焊机：包含阴极。也就是说，本发明至少适用于激光焊机与电
子束焊机这两类高能束焊机的机束流空间形态的测量，例如气/固/半导体/光纤式激光焊
机和中/高真空电子束焊机。后续说明中提到加工头则对应是对激光焊机的测量，而阴极则
对应是对电子束焊机的测量。

[0045] 高能束焊机束流空间形态测量方法还包含以下步骤：校正板预处理步骤：对校正板进行表面处理；校正板安装步骤：将校正板置于高能束焊机内的待焊平台上，令校正板的
上表面高度与待焊平台的卡盘的中心相同，并用量具保证校正板上表面的水平度；图像清
晰调节步骤：移动加工头或阴极，将监视屏幕中的叉线中心对准校正板的一角；调整加工头
或摄像头的位置，确保监视屏幕中的校正板图像最清晰。其中，激光焊机调整方式为上下移
动加工头，电子束焊机调整方式为上下变焦摄像头，最终须达成监视屏幕图像最清晰的目
的。

[0046] 所述焦点校正步骤包含以下任一步骤：激光焊机焦点校正步骤：移动加工头，在校正板上加工焊点，找出多个焊点中直径最小点，并使加工头运动至加工该直径最小点时所
处的位置；电子束焊机焦点校正步骤：一边输出焊接束流一边增减聚焦束流，待监视屏幕中
反射光斑面积最大时停止输出焊接束流，记录此时的聚焦束流值。也就是说，对于激光焊
机，须编制用以校正焦点的专属程序，具体编程语言依据焊机型号而定，最终程序可实现的
功能如下：输出脉冲波、右移、上抬、循环、下降、对比焊点直径、找出最小点、记录左起序数、
加工头特定抬升、摄像头调焦。在一个可行的实施方式中，所述专属程序可实现的功能详情
如下：(1)加工头原地输出一个500W、15ms、方形的脉冲波，(2)加工头向右水平移动1.5mm，
(3)加工头向上抬升0.5mm，(4)循环上述3步操作19次，(5)加工头下降10mm，(6)取出铝板并
对比20个焊点的直径，找出其中最小的点，记下其左起序数A，(7)将加工头抬升(A‑1)*
0.5mm，(8)调整摄像头的焦点位置，重新使屏幕中的工件图像最清晰。优选地，高能束焊机
为激光焊机时，所述校正板为铝板；高能束焊机为电子束焊机时，所述校正板为钨板。进一
步优选地，铝板、钨块为方形，厚度一致且不小于4mm，铝板须经阳极氧化处理成黑色，其他
材料无须阳极氧化。

[0047] 试焊调整步骤中，在试焊板上进行试焊，试焊起始点和结束点都处于十字焊缝的交会中心；十字叉线位置的调节过程为：将监视屏幕中的十字叉线与十字焊缝的两条中线
进行比对，先解锁十字叉线，再对十字叉线的位置进行移动校正，最后锁定十字叉线。优选
地，所述试焊板为方形的不锈钢板。具体地，试焊过程中，取出铝板或钨块并将不锈钢板置
于其中，随后编制特定的连续焊程序，设定特定的焊接参数模式，将焊接起始点和结束点置
于特定位置，随后对钢板进行试焊。采用的连续焊程序内容为X+Y轴交替画十字，其中直线
长度为60mm、焊接速度为30mm/s、激光功率为800W、电子加速电压为35kV、电子聚焦束流为
J、电子焊接束流为10mA，焊接起始点和结束点都处于十字焊缝的交会中心。

[0048] 模拟焊接步骤包含以下步骤：参数设定步骤：对加工头或阴极的行进轨迹与输出参数进行设定；数据记录步骤：将激光头或阴极垂直向外移动设定距离，然后正式下束施
焊；焊后观察圆片切点位置是否有灼伤痕迹，若无则将激光头或阴极向圆片靠近设定距离
并再次施焊，直至出现灼伤为止，并记录形位数据；圆片叠加采集步骤：增加圆片，重复执行
数据记录步骤，直至达到设定次数为止。所述数据记录步骤中，激光头或阴极垂直向外移动
距离为S，激光头或阴极每次向圆片靠近的设定距离为s，形位数据包含当前的圆片数量P和
焊接次数Q；圆片叠加采集步骤中，增加的圆片放置在前一块圆片的上方，单个圆片的厚度
为t。优选地，所述圆片为不锈钢圆片。实际操作中，可先将一片不锈钢圆片置于试焊板上，
并按图2所示在程序中设定激光束/电子束的行进轨迹方向，例如，随着加工头的移动，光束
行进轨道1变化成光束行进轨道2。对激光束/电子束设定一个适宜的速度值(如30mm/s)和
功率值(如2000W)/束流值(如25mA)，随后关闭舱门进行模拟焊接，同时观察检验设备运行
时圆片的位置稳定性。在一个可行的实施方案中，垂直向外移动距离为2mm，每次向圆片靠
近距离为0.05mm，且最后记录的数据是当前的圆片数量P和焊接次数Q。圆片叠加采集步骤
中是在此前的圆片上方放上第二片圆片，对于设定次数的选择，可以在测量初准备特定数
量的圆片，当所有圆片放置完毕后即完成测量。当然按照实际需要，还可以按特定方式在特
定位置增加圆片。

[0049] 数据处理步骤中，根据束流当前横截面的高度P*t与束流当前横截面的半径S‑Q*s这两个数据，获取高能束焊机的束流空间形态图。高能束焊机束流空间形态测量方法还包
含公式拟合步骤：对束流空间形态图进行数学拟合，得到高能束焊机束流的有效曲线公式；
高能束焊机束流的有效曲线公式的形式为z＝f(x)，其中x为焊缝与凸台的最小距离，z为凸
台的最大高度，f(x)表示关于x的拟合函数，f()表示拟合函数。在公式拟合过程中，x的数
值对应为S‑Q*s，z的数值对应为P*t。此后在产品的设计过程中，对于某一确定高度的凸台z
(或某一确定距离的焊缝x)，可参考拟合曲线以确定焊缝与凸台的最小距离x(或凸台的最
大高度z)，从而可提前避免凸台边缘在焊接时发生灼伤的问题。

[0050] 优选实施方式：

[0051] 焊机为HL2006D型固体激光焊机，铝材牌号为2A12，钢材牌号为1Cr18Ni9Ti。

[0052] 本实施方式按以下步骤实现：

[0053] S1、设计制造1块100*60*4mm尺寸的铝合金板，并依次对其进行除油(有机物)、碱洗(NaOH液/3min)、清洗(流水)、烘干(80℃/1h)和阳极氧化操作。设计制造1块150*150*4mm
尺寸的不锈钢板、12片Φ20*2.5mm尺寸的不锈钢圆片，并依次对其进行除油(有机物)、清洗
(流水)和烘干(80℃/1h)操作。

[0054] S2、将铝板置于焊机内的待焊平台上，工件的上表面高度与卡盘的中心相同，并用专用量具保证其上表面的水平度。

[0055] S3、水平移动加工头的位置，将监视屏幕中的叉线中心对准铝板的左上角。上下调整加工头的位置，确保监视屏幕中的工件图像最清晰。

[0056] S4、编制用以校正激光焦点的专属程序，最终程序可实现的功能如下：(1)加工头原地输出一个500W、15ms、方形的脉冲波，(2)加工头向右水平移动1.5mm，(3)加工头向上抬
升0.5mm，(4)循环上述3步操作19次，(5)加工头下降10mm，(6)取出铝板并对比20个焊点的
直径，找出其中最小的点，记下其左起序数为11，(7)将加工头抬升5.0mm，(8)调整摄像头的
焦点位置，重新使屏幕中的工件图像最清晰。

[0057] S5、取出铝板并将钢板置于其中，随后在焊机上编制X+Y轴交替画十字的连续焊程序，其中直线长度为60mm、焊接速度为30mm/s、激光功率为800W，焊接起始点和结束点都处
于十字焊缝的交会中心，随后对钢板进行试焊。

[0058] S6、将监视屏幕中的十字叉线与十字焊缝的两条中线进行比对，先解锁十字叉线，再对叉线的位置进行微移校正，最后锁定十字叉线。

[0059] S7、将一片不锈钢圆片置于钢板上，并按图2所示在程序中设定激光束的行进轨迹方向。对激光束设定一个适宜的速度值(如30mm/s)和功率值(如2000W)，随后关闭舱门进行
模拟焊接，同时观察检验设备运行时圆片的位置稳定性。

[0060] S8、将加工头垂直向外移动2mm，然后正式下束施焊。焊后观察圆片切点位置是否有灼伤痕迹，若无则向圆片靠近0.05mm并再次施焊，直至出现灼伤为止，并按一定的格式进
行记录(记录当前的圆片数量1和焊接次数12)。

[0061] S9、在此前的圆片上方放上第二片圆片，随后重复S7‑S8步骤的实验，直至12片圆片放置完毕。

[0062] S10、得到工艺件高度与最小灼伤距离的对应关系表，以此表为基础绘制出HL2006D型固体激光焊机的束流空间形态图，具体实例如图3所示。

[0063] S11、对束流空间形态图进行数学拟合，得到HL2006D型固体激光焊机束流的有效2 3 4
曲线公式：z＝‑5.7543+32.6558x‑36.8693x+25.9135x‑5.6158x。

[0064] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影
响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相
互组合。