电子束电负性等离子体结构特征与超深匙孔效应机理研究

To the fundamental difficulty of detecting the electron beam at high intensities, describing the beam state, charactering the beam structure, clarifying the penetration mechanism of ultra deep keyhole effect in welding, defined the relationship of beam structure character and welding joint quality, by means of seam micro computer tomoscan and collecting electron beam with a high-speed in faraday cylinder, detect and analysis the structural feature and power density four dimensional distribution of plasma with electronegativity in electron beam. Experimental test with analog computation, research and analysis the influence of the biasing electric field,focus magnetic field to the electron beam structure characteristics and the distribution of electron gun .Established the four dimensional focused electron beam power density distribution model in the process of vacuum transfer， reveal the mechanism of focused magnetic field to electron beam structure characteristics and the power density distribution.Research the influence of electronegative plasma electron beam structure characteristics and the power density distribution and focus state on electron beam to the welding penetration, the weld cross section shape, the characteristic quality of weld seams.Building a model of "super deep keyhole" relational , which is different from the laser "keyhole" effect,to clarify and reveal the mechanism of electron beam welding of "super deep keyhole "effect, break through the control technology of the electron beam cross section shape and welding quality, solve the basic problems such as electron beam detection, beam properties characterization, Welding joint quality control.Provide scientific theory, the control method and the model for the electromagnetic focusing system structure design and optimization of electron gun, improvement of super deep welding process.

针对电子束难检测、束流状态难描述、束流结构难表征、"超深匙孔"机理难厘清、焊缝质量控制因素不明确等基础问题，利用微缝计算机断层扫描和法拉第筒高速采集等方法，检测分析电子束电负性等离子体结构特征和功率密度四维分布，实验测试与模拟计算相结合，研究电子枪的偏压电场、聚焦磁场等对束流结构特征和分布的影响规律，揭示聚焦电磁场对电子束流结构特征和功率密度分布的作用机理，建立聚焦束流功率密度四维分布模型，进一步研究电子束电负性等离子体结构特征、功率密度分布和焦点状态等因素对电子束焊接熔深、焊缝截面形状、焊缝特征质量的影响规律，建立有别于激光"匙孔"效应的电子束"超深匙孔"模型，厘清电子束焊接"超深匙孔"效应机理，突破电子束焊缝截面形状控制和焊缝质量控制技术，解决电子束流检测、束流特性表征、焊缝质量控制等基础问题，为电子枪电磁聚焦系统结构设计和优化、超深焊接工艺改进提供科学理论、控制方法和模型。

由于极大的深穿比、小的热影响区及变形、真空加工等特点，电子束加工得到广泛的应用。但高能电子束功率密度达到106-109W/cm2，也面临着束流状态难描述、束流结构难表征、“超深匙孔”机理难厘清、焊缝质量控制因素不明确等基础问题。.本研究提出了一种电子束高速偏转扫描、微米级孔（线）收集不同“点”电子的功率密度分布测试方法，以联合正态分布函数作为电子束流横截面功率密度分布的基本模型，研究了电子束横截面功率密度分布的计算机多维图形技术，实现了横截面功率密度分布的立体显示，运用Marching Cubes算法和三角面片模式对电子束空间功率密度分布进行三维重构，提出空间点的鼠标拾取方法，实现了电子束流三维重构空间任意两点距离的测量和束腰仿真，建立了具有旋转角度的双峰椭圆高斯分布电子束焊接热源模型，最大峰值分别为18541.6 W/mm2、17934.2 W/mm2。.研究同时开展了静电及磁聚焦系统等对束流空间传输的影响。基于电子光学理论和三维粒子仿真，静电聚焦系统的阴、阳极间等位线分布与聚束极内壁形状接近，并向阴极弯曲，使得电子受力向轴偏转实现静电聚焦。电子束聚焦距离与聚焦电流存在非线性关系，根据聚焦理论建立的非线性函数模型可为电子枪的聚焦调节提供直接的参数化方案。针对电子束功率分布特征与“超深匙孔”效应关系，研究采用了空间电荷分布监测的动态传感方式采样分析，数据传感误差低于3%。熔池反射的二次电子在空间中存在特定的分布规律，梯形状波形整体的平稳程度反映焊缝的稳定性，其高度反应焊缝的热输入量，对称位置电压波动反应焊缝的均匀性和熔深情况。.研究针对电子束焊接质量模型设计了一种用于异种金属高品质焊接的高能束焊接工艺方法，该工艺基于目前异种金属熔钎焊接工艺，通过特殊温度场设置，实现异种接头结合界面强化连接，抗拉强度提升约20%，同时研究揭示了该质量控制模型。以上研究为电子束焊接奠定理论基础，提升了我国电子束焊接技术的社会影响力。