● 摘要
针对电子束焊接的复杂动力学系统，论文系统分析了电子束焊接产生的内部信号或外加信号在试验研究中的应用和作用，提出并利用了工件传导电流信号研究其动态过程的特性，发明了可工程应用的测定束流参数和动态焦点参数的方法和装置，对电子束焊接的理论发展与工程应用具有重要现实意义。本论文重点研究了电子束焊接的静态和动态的临界穿透特征、工件传导电流特性和动态焦点特性等问题。论文采用金属元素示踪法，借助于扫描电子显微镜和计算机层析成像设备，研究了电子束焊缝中示踪成分和密度分布、焊缝“火山口”形貌和冻结小孔形态等凝固特征；论文指出强烈的小孔波动和熔体紊流促使示踪金属分布均匀化，而金属蒸气冲击力却使其在焊缝局部富积；论文对比分析了部分穿透焊和完全穿透焊二种状态的静态特征所反映的熔池临界穿透的转变特征。论文讨论了电子束焊接动态过程中电子失去动能的能量转换和电子定向流动的电流传导这两种物理过程，提出了工件传导电流概念，设计了专用的电流信号采集装置，从复杂的动态过程中剥离并定量检测出包涵焊接信息的工件传导电流的动态行为。全面系统地研究了工件传导电流的时域、频域等特性；发现并试验证明了传导比可定量地描述焊接动态过程的临界穿透状态；利用研究获得的传导比均值与输入束流的函数关系建立了可描述电子束焊接过程的动态特性判据。在此基础上，发明了一种可以在实际工程应用中测定电子束焊接束流参数的方法，申报了国家发明专利“一种确定电子束焊接参数的方法”（申请号：02153277.X），设计了一种测量焊接最佳束流的试验装置。论文归纳了前人有关电子束焦点的论述和测量方法，通过系统实验和数据分析，首次揭示了电子束焊接过程的焦点所反映的动态特性和规律，提出了动态焦点概念，分析了焊接过程的动态焦点与静态焦点的本质区别，在电子束焊接工程应用中澄清了焦点概念及其物理本质，拓宽了焦点定义范围，为进一步开发新的焦点测量方法提供了理论依据。在此基础上，以束流是否与金属相互作用和作用程度作为分类依据，将电子束流焦点分成静态焦点、准动态焦点和动态焦点三种类型。根据分类标准，指出AB法和类AB法所测得的焦点都是准动态焦点；论文分析了在上坡和下坡焊接条件下，用类AB法所测焦点的差异及其影响因素。论文指出，电子束流的静态焦点是几何焦点，束流轨迹形状截面最小处即为静态焦点，它具有对称性、极值性和活性区间三种几何性质。电子束流的动态焦点是实际焊接过程中的物理焦点，采用动态焦点参数进行焊接可获得最大熔深和最窄熔宽焊缝；电子束焊接的物理作用过程具有对称性、极值性和物理作用效果的活性区间三种物理性质。本论文设计了系统地认知电子束焊接动态特性的试验方案，基于工件传导电流特性，采集了可供定量化分析的数据，获得了特定临界穿透束流与聚焦电流参数之间的函数关系；利用此关系科学地定义了电子束动态焦点，发明了测量动态焦点的“临界穿透束流极值法”，申报了国家发明专利“一种确定电子束焊接最佳聚焦电流的方法”（申请号：02153279.6）；设计的装置已获得国家实用新型专利“一种电子束焊接动态焦点测量控制装置”（ZL 02294569.5）；以此方法和装置为基础，首次系统地研究了动态焦点特性与板厚、焊速和加速电压等参数之间的关系，揭示了焦点参数在焊接动态过程中的特殊作用。根据焊缝熔深与动态焦点之间的关系，提出了深穿电子束焊接热源的熔深极值原理，建议把电子束焦点状态对焊缝熔深的影响作为一个修正项，修改传统的线热源模型。根据本论文的研究结果，从理论上提出了进一步研究开发监控焊接熔池稳定性、焊接临界穿透过程的工程技术方法，可进一步利用工件传导电流实时信号监控焊缝成形和焊接缺陷等质量问题，为进一步开发电子束焊接过程闭环控制系统提供了理论基础。