一种基于特征谱线的电子束焦点检测装置及其工作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于特征谱线的电子束焦点检测装置及其工作方法，本电子束焦点检测装置包括：电子束聚焦单元，适于调节在任一高度下发射的电子束的焦点位置；光谱采集及控制单元，适于根据所述采集工件在受电子束轰击后工件表面的辐射强度，以检测出最高辐射强度；且通过所述最高辐射强度调节电子束聚焦单元的聚焦电流，以确定在当前高度下的焦点位置；本发明所提出的基于特征元素谱线的电子束焦点检测装置及其工作方法，根据采集到的最高辐射强度确定聚焦电流，进而确定在当前高度下的焦点位置，实现了电子束焦点的迅速、准确、快速控制与定位。
【专利说明】一种基于特征谱线的电子束焦点检测装置及其工作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料加工领域，特别是涉及一种基于特征元素谱线的电子束焦点检测 装置及工作方法。
【背景技术】
[0002] 电子束加工是以高能电子束流作为热源，利用电子束的热效应和化学效应，对工 件或材料实施特殊加工。电子束加工过程中，金属熔化效果及加工质量与电子束的加工参 数、物理参数及几何参数存在着密切的联系。电子束的加工参数包括加速电压、束流强度、 加工速度、电子束焦点位置和品质，其中，电子束焦点位置和品质在所有加工参数中最难确 定，并且对加工质量的影响也特别显著，所以束流焦点位置测量是电子束加工中一项非常 重要的工作。目前，电子束焊接技术中焦点位置的检测方法主要是根据焊接工件选用相应 的加速电压和焊接速度，通过电流传感器求出工件的临界穿透束流，其测量装置结构较为 复杂，造成一定的控制延迟和测量误差，且由于焊接工件选用的一定厚度的金属板材具有 导热系数高、传热性能好，测量精度低、不可重复使用的特点，从而延长了电子束参数确定 时间，提高了电子束加工成本。
[0003] 因此，需要利用电子束与工件相互作用产生的光谱辐射强度极值效应设计一种基 于特征谱线的电子束焦点监测装置，以实现对电子束焦点位置的迅速、准确且高效的定位 与控制。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种结构简单，成本较低、操作简便的基于特征谱线的电子 束焦点监测装置，本电子束焦点监测装置解决了在材料加工过程中难以直接、准确、有效地 确定电子束焦点位置的技术问题。
[0005] 本发明提供了一种基于特征谱线的电子束焦点检测装置，包括：电子束聚焦单元、 光谱采集及控制单元；其中，电子束聚焦单元适于调节在任一高度下发射的电子束的焦点 位置，所述高度即为电子束发射端与工件加工面的垂直距离；光谱采集及控制单元适于根 据所采集工件在受电子束轰击后工件表面的辐射强度，以检测出最高辐射强度；且通过所 述最高辐射强度调节电子束聚焦单元的聚焦电流，以确定在当前高度下的焦点位置。
[0006] 优选的，所述电子束聚焦单元包括：聚焦线圈，所述聚焦线圈适于通过聚焦电流控 制电子束的焦点位置。
[0007] 优选的，所述光谱采集及控制单元包括：中性滤光片、长焦透镜、光谱仪、计算机， 以及连接长焦镜头与光谱仪的光纤；其中，所述中性滤光片适于采集工件表面发出的热辐 射光线；所述长焦透镜置于中性滤光片与光谱仪之间，适于将透过中性滤光片的热辐射光 线进行会聚；所述光谱仪适于将会聚的热辐射光线分离出特征光谱线；所述计算机与光谱 仪输出端相连，适于计算出特征光谱线的辐射强度，并确定最高辐射强度，且根据所述最高 辐射强度调节电子束聚焦单元的聚焦电流，获得与高度对应的焦点位置。
[0008] 另一方面，本发明在所述电子束焦点检测装置的技术方案的基础上还提供了一种 电子束焦点检测装置的工作方法，以解决在材料加工过程中快速确定电子束焦点位置的技 术问题。
[0009] 为解决上述问题，本发明还提供了一种所述电子束焦点检测装置的工作方法，包 括如下步骤：
[0010] 步骤S100,对电子束焦点数据库进行构建。
[0011] 步骤S200,根据电子束焦点数据库实现对聚焦电流的调节。
[0012] 优选的，所述步骤SlOO中所述电子束焦点数据库的构建方法，包括：在不同高度 下分次采集电子束聚焦单元中的聚焦线圈不同的输入电流所对应的工件表面的辐射强度， 以获得在相应高度下最高辐射强度的特征光谱线所对应的聚焦电流。
[0013] 优选的，所述在一定高度下获得最高辐射强度的特征光谱线所对应的聚焦电流的 方法，包括：在给定电子束加速电压Ua、电子束电流Ia及高度Ztl的基础上，调节聚焦线圈不 同的输入电流，以获得在高度Ztl下最高辐射强度的特征光谱线所对应的聚焦电流If。
[0014] 优选的，所述构建方法还包括：将各高度与各高度所对应的聚焦电流进行拟合，建 立拟合曲线。
[0015] 优选的，所述步骤200中所述根据对电子束焦点数据库实现对聚焦电流的调节的 方法，包括：根据所述拟合曲线确定所述高度，以调节所述聚焦电流，或确定所述聚焦电流， 以调节所述高度。
[0016] 本发明的有益效果是：本发明所提出的基于特征元素谱线的电子束焦点检测装置 及其工作方法，根据采集到的最高辐射强度确定聚焦电流，进而确定在当前高度下的焦点 位置，实现了电子束焦点的迅速、准确、快速控制与定位。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0018] 图1是电子束焦点检测装置的结构示意图；
[0019] 图2是电子束焦点检测装置的工作方法的流程图；
[0020] 图3是高度Ztl时辐射强度I与聚焦电流If的曲线图；
[0021] 图4是聚焦电流If与高度Zi拟合曲线图。
[0022] 图中：电子束1、聚焦线圈2、工件3、中性滤光片4、长焦透镜5、光纤6。
【具体实施方式】
[0023] 现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以 示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
[0024] 本发明提供的电子束焦点检测装置及其工作方法，即采用高熔点纯金属板材作为 工件，所述电子束聚焦单元在不同的高度下，多次采集不同聚焦电流状态下的工件表面的 光谱信息，其中特征元素谱线辐射强度最高的所对应的聚焦电流，即为该高度下电子束焦 平面所对应的聚焦电流，即焦点位置。由于光谱仪独立于电子束焊接设备、其信号灵敏度 高、系统响应速度快，可使得整个系统的加工精度和生产效率能够大大提高，并为电子束在 空间Z方向（垂直方向）上的焦点位置确定提供技术支持。定义所述高度即为电子束发射 端与工件加工面的垂直距离。
[0025] 本发明的工作原理：
[0026] (1)本发明电子束在工件加工面产生的热源（热辐射）采用高斯面热源来描述，即 q(r) =(1_6邓(-1^2)，(1_是热源中心最大热流密度彳是能量集中系数。即电子束的能量 分布集中在半径为r、面积为S的圆内，^ ^ η是电子束能量吸收率，Ua是电 子束加速电压，Ia是电子束电流。
[0027] (2)工件可选为高熔点纯金属板材，调节聚焦线圈中聚焦电流使得焦平面与工作 平面重合，此时工件加工面获得的电子束半径&最小，则电子束轰击到的粉末范围最小，对 于相同的电子束能量输入ΠUaIa，能量密度越集中，根据能量守恒原理，受电子束轰击后工 件表面辐射强度最高，即rp越小，工件表面辐射强度就越大。反之，当焦平面与工作平面之 间的距离越大，rp也就越大，工件表面辐射强度也就越小。
[0028] 以下通过实施例1和实施例2对本发明的技术方案进行详细论述。
[0029] 实施例1
[0030] 图1示出了电子束焦点检测装置的结构示意图
[0031] 如图1所示，一种基于特征谱线的电子束焦点检测装置，包括：电子束聚焦单元、 光谱采集及控制单元；其中，所述电子束聚焦单元包括：聚焦线圈2,所述聚焦线圈适于通 过聚焦电流控制电子束的焦点位置，所述电子束聚焦单元适于调节在任一高度下发射的电 子束的焦点位置；所述光谱采集及控制单元适于根据所采集工件在受电子束轰击后工件表 面的辐射强度，以检测出最高辐射强度；且通过所述最高辐射强度调节电子束聚焦单元的 聚焦电流，以确定在当前高度下的焦点位置。
[0032] 具体的，所述光谱采集及控制单元包括：中性滤光片4、长焦透镜5、光谱仪、计算 机、连接长焦镜头与光谱仪的光纤6。在一定高度下，电子束1穿过聚焦线圈2轰击工件3 的加工面，工件3的加工面受热产生热辐射光线，通过调节聚焦线圈2的输入电流以获得电 子束1焦点位置，即通过调节调节聚焦线圈2的输入电流使电子束1焦平面与工件3表面 重合。所述长焦透镜5置于中性滤光片4与光谱仪之间，用于会聚经中性滤光片4过滤后 的热辐射光线，会聚后的热辐射光线通过光纤6传送至光谱仪，所述光谱仪适于分离出所 述热辐射光线中的特征光谱线，根据特征光谱线的辐射强度，确定最高辐射强度，且根据所 述最高辐射强度调节电子束聚焦单元的聚焦电流，获得与高度对应的焦点位置。
[0033] 实施例2
[0034] 图2示出了电子束焦点检测装置的工作方法的流程图。
[0035] 如图2所示，在实施例1基础上的电子束焦点检测装置的工作方法，包括如下步 骤：
[0036] 步骤S100,对电子束焦点数据库进行构建。
[0037] 步骤S200,根据电子束焦点数据库实现对聚焦电流的调节。
[0038] 具体的，在不同高度下分次采集电子束聚焦单元中的聚焦线圈不同的输入电流所 对应的工件表面的辐射强度，以获得在相应高度下最高辐射强度的特征光谱线所对应的聚 焦电流。
[0039] 所述各高度Zi下获得最高辐射强度的特征光谱线所对应的聚焦电流的方法，包括 如下步骤：
[0040] 步骤一，在给定电子束加速电压Ua、电子束电流Ia及高度Ztl的基础上，调节不同 的聚焦线圈的输入电流，以获得在高度Ztl下最高辐射强度的特征光谱线所对应的聚焦电流 IfO
[0041] 步骤二，在聚焦线圈输入电流的同时通过光谱仪采集工件表面辐射强度变化；
[0042] 步骤三，记录光谱仪显示工件表面辐射强度最高时刻对应的聚焦线圈的输入电 流，即为高度Ztl下电子束流焦点所对应的聚焦电流If ;
[0043] 步骤四，改变电子束加热平面的高度Zi (i，η为整数，0 <i<n_l)，重复步骤一、 步骤二、步骤三，以找得一系列不同高度Zi (i，n为整数，0 <i<n-1)上工件表面辐射强度 最1?所对应的聚焦电流If;
[0044] 步骤五，对高度Zi和聚焦电流If数据进行分析拟合可以得到聚焦电流If和焦点 位置之间的函数关系。
[0045] 图3示出了高度Ztl时辐射强度I与聚焦电流If的曲线图。
[0046] 图4示出了聚焦电流If与高度Zi拟合曲线图。
[0047] 如图3和图4所示，所述构建方法还包括：将各高度与各高度所对应的聚焦电流进 行拟合，建立拟合曲线。具体的，采集在一定高度下不同聚焦电流状态下的工件表面辐射强 度变化曲线，其中辐射强度最高的所对应的聚焦电流If，就是该高度Ztl下电子束焦平面所 对应的聚焦电流If，即焦点位置。分别获得在不同高度Zi下所对应的聚焦电流If，以建立 反应高度与聚焦电流对应关系的拟合曲线。
[0048] 可选的，所述电子束焦点检测装置的工作方法，还包括：结合附加偏转线圈的磁场 对电子束在XY平面内的二维偏转控制，以实现电子束三维扫描快速成型。
[0049] 所述根据对电子束焦点数据库实现对聚焦电流的调节的方法，包括：根据所述拟 合曲线确定所述高度，以调节所述聚焦电流，或确定所述聚焦电流，以调节所述高度。
[0050] 实施例1和实施例2中，光谱仪采用OceanOptics公司生产的HR4000UV-NIR光 谱仪，其探测范围为200-1100nm，其CCD阵列为3648像素，光谱积分范围为4ms-20s，光谱 分辨率为0. 27nm，光谱信息的采集和存储由光谱仪自带的SpectraSuit软件进行控制，采 用软件触发的方式，能实现高速数据采集和实时处理。
[0051] 实施例3
[0052] 在实施例1和实施例2的基础上进行确定焦点位置的具体实施过程如下：
[0053] 本实施例中采用的装置由电子束焊机、光谱仪、光纤、采集探头以及计算机组成， 光谱采集系统示意图如图1所示。
[0054] 工件3采用100mm*100mm*10mm的钨金属板，加速电压Ua = 60kV，电子束电流Ia = 10mA，初始工作高度Ztl = 5mm，电子束扫描采用简单的直线扫描的方式，扫描线长5mm，扫描 频率500HZ，扫描时间30s，光谱仪中心对准扫描线，每扫完一条直线就改变一次聚焦电流 If。工件加工面产生的热源经探头采集，通过光纤进入光谱仪，转换成相应的光谱波长和辐 射强度信息后，通过USB数据线保存在计算机中。
[0055] 具体的，获得聚焦电流If的方法包括：
[0056] (1)首先聚焦电流If分别为530mA、540mA、550mA，对应的最高辐射强度分别为I。 12、I3。若这三个辐射强度并非单调递增或者递减，那么最佳聚焦电流If 一定位于530? 550mA这个区间，即最佳聚焦电流If可能在530?540mA之间，也可能在540?550mA之间。 [0057] (2)当聚焦电流If为535、545mA时对应的最高辐射强度分别为14、15,I4M1且 15>13，那么最佳聚焦电流If范围可以缩小到535?545mA之间，即最佳聚焦电流If可能在 535?540mA之间，也可能在540?545mA之间·
[0058] (3)当聚焦电流If为536、538mA时对应的最高辐射强度分别为16、17, 16>12且 17>12，那么最佳聚焦电流If范围可以缩小到536?538mA之间；
[0059] (4)当聚焦电流If为537mA时相应的最高辐射强度为18, 18>16且18>17, 537mA即 为最佳聚焦电流If。各个聚焦电流If对应的最高辐射强度如图3所示，其中圆点表示各个 聚焦电流If下最高辐射强度。
[0060] 改变工作平面高度Zi和聚焦电流If，按照上述步骤，得到的聚焦电流If和高度 (电子束流工作平面到工作台的距离）的对应关系。用软件将试验测得的聚焦电流If与高 度关系的对应值绘制成图并进行回归拟合，如图4所示。拟合得到的聚焦电流If与高度Zi 之间的函数关系式为=Jf = 根据这个函数关系式，只需知道所述高度，就可以求 出这个工作平面上焦点对应的聚焦电流，本技术方案为三维扫描电子束快速成型在Z方向 上的焦点位置控制提供理论支持。
[0061] 以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完 全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术 性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
【权利要求】
1. 一种基于特征谱线的电子束焦点检测装置，其特征在于，包括：电子束聚焦单元、光 谱采集及控制单元；其中， 所述电子束聚焦单元适于调节在任一高度下发射的电子束的焦点位置，所述高度即为 电子束发射端与工件加工面的垂直距离； 所述光谱采集及控制单元适于根据所采集工件在受电子束轰击后工件表面的辐射强 度，以检测出最高辐射强度；且 通过所述最高辐射强度调节电子束聚焦单元的聚焦电流，以确定在当前高度下的焦点 位置。
2. 根据权利要求1所述的电子束焦点检测装置，其特征在于，所述电子束聚焦单元包 括：聚焦线圈，所述聚焦线圈适于通过聚焦电流控制电子束的焦点位置。
3. 根据权利要求2所述的电子束焦点检测装置，其特征在于，所述光谱采集及控制单 元包括：中性滤光片、长焦透镜、光谱仪、计算机、连接长焦镜头与光谱仪的光纤；其中， 所述中性滤光片适于采集工件表面发出的热辐射光线； 所述长焦透镜置于中性滤光片与光谱仪之间，适于将透过中性滤光片的热辐射光线进 行会聚； 所述光谱仪适于将会聚的热辐射光线分离出特征光谱线； 所述计算机与光谱仪输出端相连，适于计算出特征光谱线的辐射强度，并确定最高辐 射强度，且根据所述最高辐射强度调节电子束聚焦单元的聚焦电流，获得与高度对应的焦 点位置。
4. 一种根据权利要求1所述的电子束焦点检测装置的工作方法，包括如下步骤： 步骤S100,对电子束焦点数据库进行构建； 步骤S200,根据电子束焦点数据库实现对聚焦电流的调节。
5. -种根据权利要求4所述的电子束焦点检测装置的工作方法，其特征在于，所述步 骤S100中所述电子束焦点数据库的构建方法，包括： 在不同高度下分次采集电子束聚焦单元中的聚焦线圈不同的输入电流所对应的工件 表面的辐射强度，以获得在相应高度下最高辐射强度的特征光谱线所对应的聚焦电流。
6. 根据权利要求5所述的电子束焦点检测装置的工作方法，其特征在于，在一定高度 下获得最高辐射强度的特征光谱线所对应的聚焦电流的方法，包括： 在给定电子束加速电压仏、电子束电流Ia及高度&的基础上，调节聚焦线圈不同的输 入电流，以获得在高度4下最高辐射强度的特征光谱线所对应的聚焦电流If。
7. 根据权利要求5或6所述的电子束焦点检测装置的工作方法，其特征在于，所述构建 方法还包括：将各高度与各高度所对应的聚焦电流进行拟合，建立拟合曲线。
8. 根据权利要求7所述的电子束焦点检测装置的工作方法，其特征在于，所述步骤200 中根据对电子束焦点数据库实现对聚焦电流的调节的方法，包括： 根据所述拟合曲线确定所述高度，以调节所述聚焦电流，或 确定所述聚焦电流，以调节所述高度。
【文档编号】G01T1/29GK104237928SQ201410529515
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年10月9日 优先权日:2014年10月9日
【发明者】陈云霞, 王小京 申请人:河海大学常州校区