先进航空制造--电子束焊接过程中的焊缝跟踪和束流控制
先进航空制造--电子束焊接过程中的焊缝跟踪和束流控制
James Bull
在当今时代，电子束焊接术的每一个进步的积累使人类的航空制造技术更加的完善和强健。电子束技术的高稳定和高强度的特性使飞行器冶金有了更加先进科学和结构精密的设计。目前存在的重要的技术实际上是在减少分解，加热，和残余应力的同时来减少氢脆变，限制氧气和氢污染物。电子束焊接技术作为焊接整合领域的重要技术，目前已经越来越深地影响到航空飞行器的制造和设计领域。这其中重要的原因是它有着先进的自动焊缝跟踪，射束偏转，多溶池焊接。
机身
每一个新的机身，引擎，或者是组装配件的设计都可以考虑用电子束技术来完成。在机身设计上，与物料选择最相关的三个标准是：静态强度，飞行弹性，和金属的疲劳寿命. 焊接最大的特点是当使用电子束焊接仪器时操作员能精准控制。利用这些精准的高质量仪器，可以将焊接缝实现控制在很窄的束矢量内，从而实时有效地减少主要参数的偏离；其他的控制还包括：速度跟踪，角度，强度，集中性，描图，以及热量特性。在最缜密的规格操作下的CNC控制系统，是通过背散射 的电子传感片来传递信息，这同时也实现了实时光谱控制。金属飞行器件的结构整合和减轻负重设计是目前最大的挑战，要完成这些需求，电子束技术是非常重要的因素。
引擎
飞行器引擎产业无可厚非地需要设计和建造有价值的零部件，这些可以包括：鼓状物，轮子，环状物，齿轮，以及机翼。而这些部件的焊接参数一旦确定下来，在整个生产过程中必须保持精确不变。如果没有成本限制或者新的评估证明，WPS(焊接，过程，规格)都不可以轻易改变。对于焊接制造仪器和电子束焊接设备也是同理。这主要是因为有些材料，比如涅制的超耐热不锈钢，是特别为航空燃气轮机制造的，必须在特定的温度下严格操作。这类超耐热不锈钢对因热导致的裂开非常的敏感，所以要求整个过程的参数，包括焊前和焊接后热处理，必须严格评估和备份。而真空室电子束焊接机恰如其分地实现地这一要求。
推进槽和推进系统
推进槽，燃料管理系统，喷嘴，阶段槽，微孔膜，注射元件，入口阀和出口阀；所有钛合金的元器件，都是现在和未来航空平台永恒不变的重要组成部分。由于每个部件的细微革新，加工的限制规格和精准性要求有比较经济可行而且接近完美无瑕的解决方案。现在我们所面临的困扰是：在人工监控的操作条件下，人们却不再能在最佳的焊接速度上精准地观测到焊接缝，所以用设备控制流程是非常重要的。背散射电子观测系统作为一种标准，已经获得了全世界普遍的认可。在焊接过程中信息搜集，处理和使用所用的方法时常是关键的问题。用统一的标准来实现零部件的联结和加压，从而满足现代航空飞行器不见的更加精准的加工规格，使焊接缝看起来不易被肉眼察觉。目前有一种用冲压底座的技术制作的钛部件，整个过程在车床上完成。用电子束技术来扫描不仅仅精准地观测到连接位置，而且反映了不同的能被肉眼观测的钛合金。
需要这种精准加工和电子束焊接技术的一种典型的产品就是钛制卫星轨道槽。从内部连接缝位置上完成精准缝定位和凿穿焊接成为了工程师目前所面临的困难，而唯一的解决方法就是长焦距电子束聚焦和在这个长度上进行精准控制。这么说来，自然而然地又绕回到数字化控制系统的信息源—背散射电子。传感器的灵敏度，高精准的电子数聚焦，精准的偏向，软件的技术发展水平和电脑树枝控制，都是操作者达到最佳技术成果的重要因素。
通用型电子束焊接机及待焊接件推进槽（波宾德国）电子束束流
在光学显微镜中，利用电子来代替可见光，在图像质量和信息价值，可靠性和利用率方面有很大的优势。第一，利用电子束放大的倍率可以达到20,000x，而利用可见光的放大倍率只有1000 x。散射电子的特征是：利用被检查物体表面的电子核相互作用的弹性，散射电子角度范围可以达到180度，但是平均散射角度为5度。通过这种方式，一小部分散射的原子的原子序数Z发生了强烈的改变，通过这种方式可以对原材料做鉴定比较。这就是所谓的原子序数特征对比。这就是为什么电子束焊接机中需要安装检测板来收集散射电子的原因。软件和CNC系统可以利用这些准确的信息来控制焊接参数
束流控制
收集的信息以数字形式显示了电子束流与高能电子的弹性散射的采样样本，次电子非弹性散射的采样样本以及电磁辐射的采样样本之间的能量转换的关系。每种能量来源都可以用专门的传感器检测到并对其进行量化。吸收的束电流同样也可以被检测和测量。通过各种电子放大器采用数字化的CRT显示器信号，可以创建重要的的信号强度分布图。当数字信号传输给CNC系统用于回路控制的监测和反馈的同时，操作人员也能够利用高分辨率的CRT作为其监测设备。现今，无线传感器放置于真空工作室中用来实现自动光束校准。该专利在焊缝追踪准确度方面实现了800%超越最好的手动操作系统。因此，该技术具有更高的可靠性，同样在热能输入控制、低变形量、总热能输入、热能区域控制等方面优势明显。
在焊接过程中，束流偏转过程中的电子束束流的精确度以及速度和多束流电子束的偏转的技术是很难能够理解的。控制软件和控制束流方向的偏离板对复杂焊缝的曲线热分布的控制起到了关键的作用。只有非常熟练的控制才能完成包括飞机复杂产品的焊接。因此，专业人员用电子束焊接机来设计并完成复杂以及特殊的焊接任务。
有关焊接周期简单的描述就是一个单一的电子作为能量源以及信号的传递者从电子束发生器的灯丝通过聚焦线圈聚焦到产品表面，反馈到传感器板，通过传感器板转化成数字量进入回路，通过软件控制进入CNC电气控制，反馈到能量发生器以及阴极能量发生器并且进行再生。最终作为能量作用到焊接焊缝处。
电子束束流自动校准功能利用焊缝跟踪系统的焊缝跟踪过程：一个非常特殊的例子
如果焊接件有一定的加工要求，那么在完成这个周期的同时需要克服焊接过程的热变形、热收缩、加工过程轻微缺陷、机器位移导致的变化。当我们可以保证复制我们的工序时，安全系数才会确定下来。在整个电子束焊接过程中，真空室与CNC以及束流和焊缝跟踪电脑控制系统相连，保证了焊接的可复制性和可重复性。
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