基于DIABEAM法的電子束能量密度測試分析

2010-05-29 付鵬飛華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室

　　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DIABEAM測試法對真空電子束焊機電子束能量密度分布進(jìn)行測試分析;結(jié)果表明:電子束能量密度分布呈非對稱的近高斯分布,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)到焦點狀態(tài)時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,因此,多年來真空電子束焊接技術(shù)在航空航天大型復(fù)雜構(gòu)件的研制過程中發(fā)揮了重要的作用。隨著過程控制及穩(wěn)定性等質(zhì)量保證體系的發(fā)展和完善,對制造業(yè)的缺陷率提出了越來越高的要求,批量的真空電子束焊接構(gòu)件的質(zhì)量面臨著重要考驗。束流品質(zhì)特性不僅會影響到真空電子束接頭形貌特征,而且對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、焦點狀態(tài)密切相關(guān),主要通過電子束能量密度的形式表現(xiàn)出來。

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

　　探針法只適用于中小功率束流,且測量的準(zhǔn)確性不高。日本Arata 教授發(fā)明了AB 法,即在測量時電子束向下掃過不同高度豎直放置的斜坡金屬片,通過金屬片上熔寬痕跡來測出電子束軸向的能量分布 ;該方法屬于一種間接的測試方法,所測束流不能過大,測得的焦點不能完全反映真實狀態(tài)。閾值能量密度測試法是在束流和法拉第筒之間利用一個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,計算實際能量密度分布,存在一定的局限。

　　DIABEAM法測試分析電子束流在漂移空間傳輸時的各個不同截面的能量密度分布;傳感器靜止不動,偏轉(zhuǎn)線圈快速改變電子束流的偏轉(zhuǎn)方向,實現(xiàn)高速掃描;傳感器接收電子流,所采集的信號經(jīng)放大、隔離、采集、存儲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DIABEAM 測試法對真空電子束焊機能量密度分布進(jìn)行測試分析,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、試驗設(shè)備及原理

　　采用德國進(jìn)口的DIABEAM測試儀如圖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。測試原理如圖2 所示。

DIABEAM能量密度測試儀測試原理