[发明专利]一种用于电子束表面处理的均匀束斑方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子束表面处理方法，具体涉及一种电子束表面处理技术中的均匀束斑方法，属于表面处理技术领域。

背景技术

近年来，利用高能束(电子束、离子束、激光束)进行金属材料表面改性的方法得到了迅速发展。由于电子束能量的利用率(高达90％)不依赖于材料表面的特性，不受过程气氛干扰，以及功率大等优点，利用电子束进行表明处理技术正成为当前引人注目的技术之一。

为了适合不同工件和不同熔覆要求的需要，电子束熔覆设备必须具有多样化的束斑扫描功能，以实现熔覆过程中束斑密度控制、道间搭接、分层熔敷等应用的目的。一般的电子束束斑直接由电子束聚焦而得到，束斑为圆形焦斑，圆形焦斑内的能量分布为典型的高斯分布。该热源作用于材料表面后得到的是半月形剖面热作用区，材料表面受热不均，热作用区较小。

专利公开号CN101582367A中公开了一种脉冲型大束斑电子束发生装置。该装置由高压脉冲功率电源、时序控制电路、电子枪及真空室组成，可以产生加速电压20～30KV，脉冲持续时间2～4μs，束斑面积Φ60mm，重复频率0.1Hz的电子束，束斑平均能量密度为1～6J/cm2。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有电子束进行表面处理时因为采用圆形束斑造成的材料表面受热不均，热作用区较小等缺陷的问题，提出一种用于电子束表面处理的均匀束斑方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种用于电子束表面处理的均匀束斑方法，该方法主要包括束斑波形设计、编程和工艺试验及优化等步骤；根据电子束扫描原理和运动过程中能量分布规律设计出符合表面处理要求的均匀束斑波形，在笛卡尔坐标系对束斑波形采用最小二乘法进行曲线拟合，将拟合结果编程并存贮在计算机控制系统中，通过控制电子束表面处理的各个工艺参数进行试验及优化，最终获得大面积的均匀束斑方法；其具体步骤为：

1)设计适合于电子束表面处理用的大面积均匀束斑波形；

2)在笛卡尔坐标系对束斑波形进行数学拟合；

3)对拟合曲线进行编程和存贮；

4)对上述波形进行表面处理工艺试验；

5)根据试验结果进行参数优化；

所述步骤1)中波形设计依据电子束扫描原理；即电子枪产生的电子束在通过互相垂直的两个电磁线圈时，受到二维磁场的洛沦兹力的作用发生偏转，从而产生二维平面图形；波形设计承认电子以极高的速度运动，在一定时间内，电子束扫描产生的二维平面图形在加热过程中造成的加热先后可以忽略；波形设计满足运动过程中能量分布规律；即随着被处理工件的移动，电子束能量在垂直于运动方向的分量应该是相等的，从而保证被处理区域的受热均匀性和一致性；

所述步骤2)中在笛卡儿坐标系下对束斑波形进行数学拟合是指利用笛卡尔坐标系下的X、Y位移分量来描述步骤1)生成的波形，根据X、Y坐标值对曲线进行拟合；数学拟合是指采用最小二乘法进行拟合；

所述步骤3)中对拟合曲线进行编程和存贮是指利用电子束焊接的数控系统进行编程，并存贮在计算机控制系统中；编程环境为LARA52型电子束焊机的EXA S数控系统；

所述步骤4)中表面处理工艺试验是指在钛板或其他涂层表面进行试验；工艺试验参数包括电子束加速电压、工作高度、电子束电流、电子束扫描频率、扫描速度等；工艺试验采用正交实验法；

所述步骤5)中参数优化是指根据正交试验结果分析各个参数对扫描处理结果的影响程度，并参数的取值范围进行优化处理；参数优化还包括束斑截面大小的设计；即根据被处理工件的尺寸，该束斑的截面大小可以通过电子束聚焦线圈和x，y扫描线圈的电流进行调节，从而按照最经济合理的方式进行表面处理，提高工作效率。

有益效果

(1)本发明利用电子束经过扫描线圈后在洛伦兹力作用下形成，束斑截面大小可以通过线圈电流进行调节，更易实现，具有更好的经济性；

(2)本发明克服了其他电子束束斑能量分布不均匀的缺陷。

(3)该束斑经过数学拟合处理以后容易在数控系统中实现，不需要额外控制设备，可以直接在通用电子束设备上实现。

附图说明

图1是扫描束斑表面处理示意图；

图2是垂直于运动方向能量分布相同的波形示意图；

图3是采用该束斑进行TC4钛板表面处理后试验照片；

图4是采用该束斑进行表面熔覆处理前和处理后表面对比图；

图5是采用该束斑进行表面熔覆处理前和处理后截面对比图。

具体实施方式