為了充分發揮電子束焊接技術在航空航天領域的作用,對反映束流品質的關鍵因素—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行測試分析;結果表明: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散分布,達到焦點狀態時dP90區域內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,燈絲加熱電流達到穩定值后能量密度分布不變。

　　與傳統熔焊相比,真空電子束焊接具有能量密度高、深寬比大、熱影響區小及焊件變形小等優點,因此,多年來真空電子束焊接技術在航空航天大型復雜構件的研制過程中發揮了重要的作用。隨著過程控制及穩定性等質量保證體系的發展和完善,對制造業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件的質量面臨著重要考驗。束流品質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、改進電子槍結構、發展新型電子束加工技術起到了重要作用 。電子束束流品質特性與電子束能量密度、焦點狀態密切相關,主要通過電子束能量密度的形式表現出來。

　　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電流密度,以傳導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,且測量的準確性不高。日本Arata 教授發明了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。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,測量的結果是束流能量密度積分線;該方法是在假設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,偏轉線圈快速改變電子束流的偏轉方向,實現高速掃描;傳感器接收電子流,所采集的信號經放大、隔離、采集、存儲和處理獲得電子束束斑品質的量化特征, 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行測試分析,以表征束流品質特征及優化工藝,提高鈦合金、鋁合金等輕質合金航空材料構件的焊接質量。

1、試驗設備及原理

　　采用德國進口的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,在掃描速度、孔徑(或縫隙) 一定,所吸收的電子數量與能量密度成唯一的相關關系。測試原理如圖2 所示。

圖1 　DIABEAM能量密度測試儀圖2 　測試原理

3、討論

　　(1) 受電子槍本身特性的影響,電子束能量密度分布呈非對稱的近高斯分布,將會影響焊接接頭形貌的對稱性。

　　(2) 隨著聚焦電流的增加, dP90區域內能量密度趨于發散分布,直徑逐漸增加,焦點狀態的能量密度分布是較高較理想的。

　　(3) 受電子槍特性、燈絲尺寸等因素的影響下,隨著燈絲加熱電流增加,電子束能量密度峰值逐漸增加,燈絲加熱電流達到穩定值后能量密度分布狀態變化不大。