技术领域
[0001] 本
发明涉及空间三维曲线电子束焊领域，特别地，涉及一种空间曲线电子束焊方法。
背景技术
[0002] 在某些回转体类型的零件上，如果需要在
侧壁焊接一个大直径的安装座，则
焊缝即为回转体与回转体的相贯线，如
附图图1所示，其是一种空间三维曲线，如附图图2所示。焊缝表面随曲线连续变化，进而造成了焦距的变化；同时由于两个回转体相贯
角度任意，形成了沿相贯曲线连续非均匀变化的厚度截面，在电子束焊接时，由于电子束焊机的机械轴只有X、Y两个轴及一个转台轴，故一般只能够焊接截面等厚度的平面曲线焊缝，或者两圆柱体对接的环形焊缝，无法完成上述连续非均匀变截面变焦距的空间三维曲线的焊缝焊接。
[0003] 中国
专利CN102416525(
申请公布日期2012-04-18)中公开了一种“变截面结构
燃气轮机机匣的电子束焊接方法”，该方法中阐述了一种
水平
法兰局部厚度相同、阶段厚度不同的变截面焊接方法，该方法中实现了分段厚度的水平焊缝焊接，以及一种厚度变化均匀的变截面焊接。但该方法无法实现空间三维曲线连续变焦距变截面，且变化规律非均匀的电子束焊焊接，如附图图3所示。
发明内容
[0004] 本发明提供了一种空间曲线电子束焊方法，以解决
现有技术中无法实现空间三维曲线连续变焦距变截面焊接的技术问题。
[0005] 本发明采用的技术方案如下：
[0006] 一种空间曲线电子束焊方法，用于对连续非均匀变焦变截面的空间三维焊缝曲线进行焊接，电子束焊方法包括以下步骤：焊前处理：对母焊回转件和待焊回转件上待焊接处分别进行焊前处理；
点焊连接：将焊接凸台与连接通孔进行点焊连接；装夹找正：通过
焊接夹具将母焊回转件装夹
定位至电子束焊机的工作平台上，并找正母焊回转件以使母焊回转件与工作平台同回转中心，同时调整工作平台以找正焊接凸台的对称中心进而确定焊接中心；生成三维焊缝曲线轨迹数控程序：在焊接中心设立局部
坐标系，提取三维焊缝曲线并采用等弦公差的方式在三维焊缝曲线上提取若干提取点后，获取各提取点的X、Y、Z三轴坐标的点位数据，将各提取点Z轴坐标的点位数据转换为相对局部坐标系原点变化的聚焦
电流，将各提取点的焊缝厚度转换为对应的电子束流，并根据各提取点X、Y轴坐标的点位数据、聚焦电流参数及电子束流参数编制出三维焊缝曲线轨迹的电子束焊程序；电子束焊：将电子束焊程序导入电子束焊机的控制系统，并得到局部坐标系原点的聚焦电流参数后对三维焊缝曲线进行电子束焊。
[0007] 进一步地，步骤“焊前处理”具体包括以下步骤：接头准备：对待焊回转件上焊接凸台的外圆进行
车削加工以保证焊接凸台外圆的
精度尺寸，对母焊回转件上与焊接凸台配合连接的连接通孔的内圆进行数铣加工以保证连接通孔内圆的精度尺寸；焊前清理：
对焊接凸台外圆外周的内外表面、连接通孔外周的内外表面分别进行打磨处理，以保证内外表面上无污染物附着；装配组合：按焊接凸台的外圆尺寸修配连接通孔，以保证焊接凸台与连接通孔间的焊缝间隙及焊接凸台与连接通孔对接处的错位。
[0008] 进一步地，步骤“点焊连接”具体包括以下步骤：点焊定位：将焊接凸台与连接通孔进行点焊定位及连接；定位后校正：校正焊接凸台以保证焊接凸台与连接通孔两者对接处的内表面齐平。
[0009] 进一步地，步骤“装夹找正”具体包括以下步骤：母焊回转件装夹找正：通过焊接夹具将母焊回转件装夹定位至工作平台上，并找正母焊回转件上设计基准对工作平台的跳动，以使母焊回转件的回转中心与工作平台的旋转中心同心；待焊回转件找正：倾转工作平台以使待焊回转件的回转中心与电子束方向重合，并利用电子束找正焊接凸台的对称中心以确定焊接中心。
[0010] 进一步地，步骤“生成三维焊缝曲线轨迹数控程序”具体包括以下步骤：局部坐标系设立：在焊接凸台上确定的焊接中心处设立局部坐标系；点位数据获取：提取三维焊缝曲线并采用等弦公差的方式在三维焊缝曲线上提取若干提取点后，获取各提取点的X、Y、Z三轴坐标的点位数据；Z轴点位数据转化：获取电子束焦点
位置与聚焦电流变化的规律，将各提取点Z轴坐标的点位数据转换为相对局部坐标系原点变化的聚焦电流；焊缝厚度转化：获取焊接材料、熔深与电子束流关系，将各提取点的焊缝厚度转换为对应的电子束流；程序编制：根据各提取点X、Y轴坐标的点位数据、聚焦电流参数及电子束流参数编制出三维焊缝曲线轨迹的电子束焊程序。
[0011] 进一步地，步骤“局部坐标系设立”中，局部坐标系原点为焊接凸台的回转中心线与母焊回转件外轮廓面的交点，或局部坐标系原点为焊接凸台上任意高度平面与焊接凸台回转中心线的交点；步骤“点位数据获取”具体包括以下步骤：三维曲线提取：使用三维制图
软件提取三维焊缝曲线；提取点提取：采用三维制图软件自带的“等弦公差”模
块，使用等弦公差的方式并按需采用一个容许的弦公差值在三维焊缝曲线上提取若干提取点；数据提取：选中所有提取点后使用三维制图软件的分析功能并结合
数据处理软件，获取各提取点的X、Y、Z三轴坐标的点位数据。
[0012] 进一步地，步骤“Z轴点位数据转化”具体包括以下步骤：通过实验获取电子束焦点位置与聚焦电流变化的规律，即焦点位置每下降1mm，聚焦电流减小1mA，焦点位置每上升1mm，聚焦电流增加1mA，且焦点位置升降与聚焦电流增减呈线性关系；根据焦点位置与聚焦电流变化的规律，将各提取点Z轴坐标的点位数据转换为相对局部坐标系原点变化的聚焦电流。
[0013] 进一步地，步骤“焊缝厚度转化”具体包括以下步骤：利用软件求取各提取点处对应的焊缝厚度；通过实验获取焊接材料、熔深与电子束流关系，即各焊接材料的熔深与电子束流呈线性关系，且不同焊接材料同一熔深的电子束流不同；根据焊接材料、熔深与电子束流关系，将各提取点的焊缝厚度转换为对应的电子束流。
[0014] 进一步地，步骤“电子束焊”具体包括以下步骤：束焊程序导入：将编制出的电子束焊程序导入电子束焊机的控制系统；零件焊接：获取局部坐标系原点的聚焦电流参数及各提取点的聚焦电流参数后，对三维焊缝曲线进行电子束焊；
质量检验：对焊后焊缝进行质量检验。
[0015] 进一步地，步骤“零件焊接”具体包括以下步骤：利用电子束重新找正焊接凸台的对称中心以确定焊接中心；根据实验获取局部坐标系原点的聚焦电流参数；依据焦点位置与聚焦电流变化的规律，获取各提取点对应的聚焦电流参数；启动电子束焊机对三维焊缝曲线进行焊接。
[0016] 本发明具有以下有益效果：
[0017] 由于本发明的电子束焊方法中将各提取点Z轴坐标的点位数据转换为相对局部坐标系原点变化的聚焦电流，且将各提取点的焊缝厚度转换为对应的电子束流，从而可实现对连续非均匀变焦变截面的空间三维曲线的焊接，解决现有技术中存在的“无法实现空间三维曲线连续非均匀变焦距变截面焊接”技术问题；同时还解决现有技术中采用“氩弧焊焊接方法”对连续非均匀变焦距变截面空间三维曲线焊接时存在的“焊后零件
变形大、焊接处未完全熔合”的技术问题，避免了因此造成的零件报废，进而可实现巨大的经济效益；另外，本发明的空间曲线电子束焊方法中，由于是采用等弦公差的方式在三维焊缝曲线上提取若干提取点，故而可保证相邻两提取点之间的弦公差值在一个设计容许的范围，从而确保相邻两提取点之间的直线不会偏离该两提取点之间曲线过远，进而提高生成的三维焊缝曲线轨迹与实际提取的三维焊缝曲线的拟合精度，最终提高电子束焊精度及焊后零件的质量，且采用本发明的电子束焊方法时操作简单、焊接效率高。
[0018] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0019] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性
实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0020] 图1是本发明优选实施例的待焊回转件与母焊回转件相贯形成三维焊缝曲线时的状态示意图；
[0021] 图2是图1中形成的三维焊缝曲线的示意图；
[0022] 图3是图1中待焊回转件的部分空间结构示意图；
[0023] 图4是图1中设定局部坐标系时示意图；
[0024] 图5是图1中装夹找正时示意图；
[0025] 图6是提取的三维焊缝曲线与采用等弦公差的方式获取的拟合直线轨迹图；
[0026] 图7是三维焊缝曲线等弦公差提取点。
[0027] 图例说明
[0028] 10、母焊回转件；101、连接通孔；20、待焊回转件；21、焊接凸台；30、工作平台；40、三维焊缝曲线。
具体实施方式
[0029] 以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和
覆盖的多种不同方式实施。
[0030] 参照图1-图3及图6，本发明的优选实施例提供了一种空间曲线电子束焊方法，用于对连续非均匀变焦变截面的空间三维焊缝曲线进行焊接，电子束焊方法包括以下步骤：
[0031] 焊前处理：对母焊回转件10和待焊回转件20上待焊接处分别进行焊前处理。
[0032] 点焊连接：将焊接凸台21与连接通孔101进行点焊连接。
[0033] 装夹找正：通过焊接夹具将母焊回转件10装夹定位至电子束焊机的工作平台30上，并找正母焊回转件10以使母焊回转件10与工作平台30同回转中心，同时调整工作平台30以找正焊接凸台21的对称中心进而确定焊接中心。
[0034] 生成三维焊缝曲线轨迹数控程序：在焊接中心设立局部坐标系，提取三维焊缝曲线40并采用等弦公差的方式在三维焊缝曲线40上提取若干提取点后，获取各提取点的X、Y、Z三轴坐标的点位数据，将各提取点Z轴坐标的点位数据转换为相对局部坐标系原点变化的聚焦电流，将各提取点的焊缝厚度转换为对应的电子束流，并根据各提取点X、Y轴坐标的点位数据、聚焦电流参数及电子束流参数编制出三维焊缝曲线轨迹的电子束焊程序。
[0035] 电子束焊：将电子束焊程序导入电子束焊机的控制系统，并得到局部坐标系原点的聚焦电流参数后对三维焊缝曲线40进行电子束焊。
[0036] 由于本发明的电子束焊方法中将各提取点Z轴坐标的点位数据转换为相对局部坐标系原点变化的聚焦电流，且将各提取点的焊缝厚度转换为对应的电子束流，从而可实现对连续非均匀变焦变截面的空间三维曲线的焊接，解决现有技术中存在的“无法实现空间三维曲线连续非均匀变焦距变截面焊接”技术问题；同时还解决现有技术中采用“氩弧焊焊接方法”对连续非均匀变焦距变截面空间三维曲线焊接时存在的“焊后零件变形大、焊接处未完全熔合”的技术问题，避免了因此造成的零件报废，进而可实现巨大的经济效益；另外，本发明的空间曲线电子束焊方法中，由于是采用等弦公差的方式在三维焊缝曲线40上提取若干提取点，故而可保证相邻两提取点之间的弦公差值在一个设计容许的范围，从而确保相邻两提取点之间的直线不会偏离该两提取点之间曲线过远，进而提高生成的三维焊缝曲线轨迹与实际提取的三维焊缝曲线40的拟合精度，最终提高电子束焊精度及焊后零件的质量，且采用本发明的电子束焊方法时操作简单、焊接效率高。
[0037] 可选地，步骤“焊前处理”具体包括以下步骤：
[0038] 接头准备：对待焊回转件20上焊接凸台21的外圆进行车削加工以保证焊接凸台21外圆的精度尺寸，对母焊回转件10上与焊接凸台21配合连接的连接通孔101的内圆进行数铣加工以保证连接通孔101内圆的精度尺寸。
[0039] 焊前清理：对焊接凸台21外圆外周的内外表面、连接通孔101外周的内外表面分别进行打磨处理，以保证内外表面上无污染物附着。
[0040] 装配组合：按焊接凸台21的外圆尺寸修配连接通孔101，以保证焊接凸台21与连接通孔101间的焊缝间隙及焊接凸台21与连接通孔101对接处的错位。
[0041] 具体地，步骤“接头准备”中，焊接凸台21外圆的精度尺寸按公差(0，-0.03)控制；连接通孔101内圆的精度尺寸按公差(+0.03，0)控制；且电子束焊为无
焊丝焊接，焊接精度高，焊接对接处配合关系好，故不能对焊接凸台21的外圆及连接通孔101进行倒圆角修饰，以保持焊接对接处的锐边或钝边，实现无缝连接。步骤“焊前清理”中，打磨焊接凸台21外圆外周10mm范围内的内外表面，打磨连接通孔101外周10mm范围内的内外表面，以保证内外表面上无
氧化物、划痕、油污或其它杂质等污染物附着，进而避免在焊缝内部形成夹渣以对焊缝强度、焊缝性能产生影响。步骤“装配组合”中，按焊接凸台21的外圆尺寸修配连接通孔
101，以保证焊接凸台21与连接通孔101间的焊缝间隙不大于0.06，及焊接凸台21与连接通孔101对接处的错位不大于0.1，同时需保证焊接对接处的锐边或钝边。
[0042] 可选地，步骤“点焊连接”具体包括以下步骤：
[0043] 点焊定位：将焊接凸台21与连接通孔101进行点焊定位及连接。
[0044] 定位后校正：校正焊接凸台21以保证焊接凸台21与连接通孔101两者对接处的内表面齐平。
[0045] 具体地，步骤“点焊定位”中，如焊接凸台21为圆形凸台，则在焊接凸台21的外圆与连接通孔101之间对称定位焊3点；如焊接凸台21为腰形凸台，则在焊接凸台21的外圆与连接通孔101之间对称定位焊4点；且各焊点直径不大于φ2mm；且定位焊点不能落在与母焊回转件10的轴线平行及垂直的方向上，以便后续焊接凸台21的找正、定位；点焊为氩弧焊点焊。步骤“定位后校正”中，校正焊接凸台21以保证焊接凸台21与连接通孔101两者对接处的内表面齐平后，还需保持焊缝干净，并用丙
酮清洗待焊处内外表面。
[0046] 可选地，如图5所示，步骤“装夹找正”具体包括以下步骤：
[0047] 母焊回转件10装夹找正：通过焊接夹具将母焊回转件10装夹定位至工作平台30上，并找正母焊回转件10上设计基准对工作平台30的跳动，以使母焊回转件10的回转中心与工作平台30的旋转中心同心。
[0048] 待焊回转件20找正：倾转工作平台30以使待焊回转件20的回转中心与电子束方向重合，并利用电子束找正焊接凸台21的对称中心以确定焊接中心。
[0049] 具体地，步骤“母焊回转件10装夹找正”中，首先将点焊有待焊回转件20的母焊回转件10装夹在焊接夹具上，然后再将焊接夹具固定至工作平台30上，并找正母焊回转件10上设计基准对工作平台30的跳动不大于0.02，以使母焊回转件10的回转中心与工作平台30的旋转中心同心，还需检查母焊回转件10、待焊回转件20及焊接夹具上的磁通量，并对磁通量大于2×10^(-4)T的零件进行消磁处理，以避免磁通量对电子束焊产生影响。步骤“待焊回转件20找正”中，如图5所示，将母焊回转件10按待焊回转件20的角度进行工作平台30倾转，以使待焊回转件20的回转中心与电子束方向重合，并旋转工作平台30至待焊处位置，然后再利用电子束找正焊接凸台21的对称中心以确定焊接中心。
[0050] 可选地，如图4所示，步骤“生成三维焊缝曲线轨迹数控程序”具体包括以下步骤：
[0051] 局部坐标系设立：在焊接凸台21上确定的焊接中心处设立局部坐标系。
[0052] 点位数据获取：提取三维焊缝曲线40并采用等弦公差的方式在三维焊缝曲线40上提取若干提取点后，获取各提取点的X、Y、Z三轴坐标的点位数据。
[0053] Z轴点位数据转化：获取电子束焦点位置与聚焦电流变化的规律，将各提取点Z轴坐标的点位数据转换为相对局部坐标系原点变化的聚焦电流。
[0054] 焊缝厚度转化：获取焊接材料、熔深与电子束流关系，将各提取点的焊缝厚度转换为对应的电子束流。
[0055] 程序编制：根据各提取点X、Y轴坐标的点位数据、聚焦电流参数及电子束流参数编制出三维焊缝曲线轨迹的电子束焊程序。
[0056] 本可选方案中，如图4所示，步骤“局部坐标系设立”中，局部坐标系原点为焊接凸台21的回转中心线与母焊回转件10外轮廓面的交点，或局部坐标系原点为焊接凸台21上任意高度平面与焊接凸台21回转中心线的交点。
[0057] 本可选方案中，如图4、图6和图7所示，步骤“点位数据获取”具体包括以下步骤：
[0058] 三维曲线提取：使用三维制图软件提取三维焊缝曲线40。具体地，由于母焊回转件10的模型和待焊回转件20的模型属于实体，不能用来构建点，故而需使用三维制图软件(包括UG、PRO/E、SolidWorks、CATIA、CAXA等)自带的功能提取三维焊缝曲线40。
[0059] 提取点提取：采用三维制图软件自带的“等弦公差”模块，使用等弦公差的方式并按需采用一个容许的弦公差值在三维焊缝曲线40上提取若干提取点。具体地，由于程序轨迹是由直线段拟合成的曲线轨迹，故按需采用一个容许的弦公差值，确保相邻两提取点之间的直线不会偏离该两提取点之间曲线过远，如图6所示，推荐采用弦公差值为0.03mm。
[0060] 数据提取：选中所有提取点后使用三维制图软件的分析功能并结合数据处理软件，获取各提取点的X、Y、Z三轴坐标的点位数据。具体地，选中所有构建的提取点，如图7所示，并采用三维制图软件自带的分析功能提取各提取点的点位信息，然后将生成的点位信息文件复制在excel等数据处理软件中进行处理，最后提取出工作坐标系下各提取点的X、Y、Z三轴坐标的点位数据。
[0061] 本可选方案中，步骤“Z轴点位数据转化”具体包括以下步骤：
[0062] 通过实验获取电子束焦点位置与聚焦电流变化的规律，即焦点位置每下降1mm，聚焦电流减小1mA，焦点位置每上升1mm，聚焦电流增加1mA，且焦点位置升降与聚焦电流增减呈线性关系。
[0063] 根据焦点位置与聚焦电流变化的规律，将各提取点Z轴坐标的点位数据转换为相对局部坐标系原点变化的聚焦电流。
[0064] 具体地，步骤“通过实验获取焦点位置与聚焦电流变化的规律”具体操作为：在工作平台30上设置不同高度的试件，然后进行试件表面聚焦电流的试验，并记录试验过程中聚焦电流的变化规律，最后得出在某一段高度差ΔH内，聚焦电流的变化很小，且不影响焊缝质量时，将在这个高度差ΔH内的Z值，变为同一个聚焦电流值，而高度差ΔH另一端ΔH的Z值，设置为另一个相同的聚焦电流值。
[0065] 本可选方案中，步骤“焊缝厚度转化”具体包括以下步骤：
[0066] 利用软件求取各提取点处对应的焊缝厚度。
[0067] 通过实验获取焊接材料、熔深与电子束流关系，即各焊接材料的熔深与电子束流呈线性关系，且不同焊接材料同一熔深的电子束流不同。
[0068] 根据焊接材料、熔深与电子束流关系，将各提取点的焊缝厚度转换为对应的电子束流。
[0069] 步骤“利用软件求取各提取点处对应的焊缝厚度”具体操作为：利用三维制图软件构建提取点的焊接方向虚拟轴，然后将各提取点按虚拟轴投影到焊接凸台21的底面，并得出投影后的点的Z轴坐标，最后在excel等软件中将投影点与被投影点的Z轴进行差值计算，差值即为该提取点处对应的焊缝厚度。步骤“通过实验获取焊接材料、熔深与电子束流关系”具体操作为：以试件试焊不同熔深，得到电子束流与熔深的关系，在变化很小的电子束流上取一个熔深区间，该区间的熔深，即该区间的焊缝厚度内，设置为同一电子束流。
[0070] 本可选方案中，步骤“程序编制”具体操作为：以X、Y轴坐标的点位数据构建三维焊缝曲线的轨迹程序，以Z轴转化为变化的聚焦电流参数，实现焊接焦点的Z轴移动，完成空间曲线的焊接，同时以试验得出的电子束流区间参数，实现连续非均匀变化的变截面焊接，最后编制出三维焊缝曲线轨迹的电子束焊程序。
[0071] 可选地，步骤“电子束焊”具体包括以下步骤：
[0072] 束焊程序导入：将编制出的电子束焊程序导入电子束焊机的控制系统。
[0073] 零件焊接：获取局部坐标系原点的聚焦电流参数及各提取点的聚焦电流参数后，对三维焊缝曲线40进行电子束焊。
[0074] 质量检验：对焊后焊缝进行质量检验。
[0075] 本可选方案中，步骤“零件焊接”具体包括以下步骤：
[0076] 利用电子束重新找正焊接凸台21的对称中心以确定焊接中心。
[0077] 根据实验获取局部坐标系原点的聚焦电流参数。
[0078] 依据焦点位置与聚焦电流变化的规律，获取各提取点对应的聚焦电流参数。
[0079] 启动电子束焊机对三维焊缝曲线40进行焊接。
[0080] 本可选方案中，步骤“质量检验”具体操作为：对焊后焊缝进行X光、
荧光及外观检查，并按需调整焊接参数，或进行修饰焊。
[0081] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
