电子束熔丝增材制造大功率电子枪研制

根据电子束熔丝增材制造需求,结合理论计算,利用三维造型软件设计了电子枪结构包括阴极组件、栅极、阳极、聚焦线圈、扫描线圈;利用模拟仿真软件对电子枪结构进行优化,最终得到优化后的电子枪栅极球面直径14 mm、阳极孔径3.5 mm、阳极倾角140°、阴阳极距离10 mm、聚焦线圈匝数1 800匝、磁轭间隙30 mm、线圈内径60 mm、外径150 mm;设计了电子枪聚焦及偏转扫描驱动电路,带载测试聚焦电流最大值可达1.49 A,偏转扫描最大电流可达±1.06 A,扫描频率达2 kHz;对电子枪性能进行测试,最高耐压达到-75 kV,功率达到30 kW,TC4的熔丝增材成形效率达到5.16 kg/h。研制的电子枪结构轻便、束流品质好、成形效率高,适合于用作真空室内动枪。

基于磁透镜结构参数的电子枪磁聚焦特性分析

磁透镜是电子枪的重要组成部分,其结构会影响磁聚焦性能,从而影响束斑直径与电子束焊接质量。文章以国产ZD-VEBW系列高压电子束焊接设备电子枪为研究对象,构建电子枪束源与电磁聚焦结构的物理模型,并借助CST平台,仿真分析了球差影响下的束斑形貌和不同聚焦电流下磁透镜铁壳内径、铁壳开口对束斑直径的影响。设计环形挡板实现了磁透镜铁壳内径、铁壳开口参数的调整,并进行聚焦电流变化下的焊接实验研究。实验结果表明:磁透镜结构参数的合理设计可以达到更优的磁聚焦特性、更小束斑直径与更大的焊缝深宽比,实验验证了仿真结果的正确性,文章的研究对国产ZD-VEBW系列高压电子枪磁透镜结构的设计和该系列电子枪焊接质量的提升提供了理论和实验指导。

电子束扫描控制系统

设计了一个可编程电子束扫描控制系统 ,能够使电子束受控的偏摆产生任何图形。该系统的控制软件能够计算、控制电子束偏摆获得所要的波形 ,这些波形是由若干独立的数据点构成。使用该系统 ,温度梯度可以很精确地调整 ,且误差比较小。该系统可以很容易地应用于原有的电子束加工设备上 ,适用于电子束硬化、重熔、钎焊和表面改性处理。

法兰环缝局部真空电子束焊接技术研究

叙述了局部真空电子束焊接的特点及其在国防工业和民用工业的应用前景 ,叙述了国内外局部真空电子束焊接的发展状况 ,介绍了自行研制的法兰环缝局部真空电子束焊接装置和它的主要技术指标 ,以及该设备研制已突破的关键技术。

150kV高压逆变电源倍压整流电路仿真

针对150kV电子束高压电源特点,采取高压变压器与倍压整流电路相结合的方式产生150kV高压.建立几种常见的倍压整流电路模型并进行分析,通过使用MULTISIM软件对倍压整流电路模型进行仿真,重点对科克罗夫特沃尔顿(C-W,Cockcroft-Walton)全波倍压整流电路的电容参数进行仿真设计,研究不同倍压电容参数对输出电压特性的影响,结果表明C-W全波倍压整流电路为最优方案.最终通过试验调试验证,对倍压电容参数优化可以使输出特性更好,且设计方案满足参数要求.

新型PWM-BUCK电子束焊机稳定高压电源的设计

设计了一种新型PWM-BUCK电子束焊机高压加速稳压源电路系统,系统内设精密开关限流电路,能有效防止浪涌电流和过流的产生,提高了系统工作的可靠性和稳定性.通过SABER仿真,全面分析了系统的开、闭环特性,结合系统特点提出了一个含电源前馈补偿的PID控制器,同时论述了控制器的参数设计原理和步骤.结果表明,系统具有稳压精度高、动态特性好、换能效率高、工作条件要求低、整机系统可靠性高等优点.

电子束焊接电子枪电子光学系统设计

电子光学系统的设计是电子束焊接电子枪设计的核心技术.介绍了电子束焊接电子枪电子光学系统的组成,分析了电子束束斑构成的4种主要物理因素.根据局部真空电子束焊接技术的要求,依据已给定的参数,通过计算得到了电子束会聚半角、光路尺寸、磁透镜的参数和结构.在此基础上设计完成的电子枪,达到了1)加速电压60kV,电子束束流134mA,即电子枪功率为8kW;2)电子枪在工件上的束斑尺寸,理论上设计计算直径为1.3mm,用AB试验法实测束斑直径为1.6mm;3)设计完成的电子光学系统满足了局部真空电子束焊接技术应用电子枪的需求;4)设计完成的电子枪集成应用于局部真空电子束焊机.经试验验证,设计完成后的8kW电子枪满足局部真空电子束焊接的要求.

电子枪新型阴极的设计

轰击式LaB6阴极是一种电子枪的新型阴极,它不仅具有良好的电子光学系统结构,而且电子发射能力强大,对大功率电子枪的研制和开发有着重要意义.论述了新型轰击式LaB6阴极的工作原理、研究的意义、阴极材料的选择,并完成了轰击式阴极的设计和计算,设计完成了轰击式LaB6阴极的实验装置.通过实验得到,该轰击式LaB6阴极在阴极温度为1843K时具有最大发射电流450mA,其发射电流密度为3.58A/cm2.列举了典型试验数据并进行分析,得到所选用的LaB6的发射常数A为21.33,逸出功Φs为2.6eV,这与理论值非常接近,证明了试验的准确性和可靠性,该试验结果为大功率电子枪的开发研究、为大功率电子束焊接设备研制奠定了基础.

新型脉冲电子束焊接偏压电源设计

开发了一种由偏压基值产生电路和偏压脉冲产生电路组成的新型脉冲电子束焊接偏压电源,该偏压电源装置能够实现直流偏压和脉冲偏压自由切换,即在同一套装置上既能够实现常规连续束流电子束焊接,又能够实现脉冲电子束流焊接.偏压基值产生电路控制偏压脉冲基值,偏压脉冲产生电路分别控制偏压脉冲峰值、偏压脉冲频率和偏压脉冲占空比.偏压电源的脉冲频率、占空比、脉冲基值和脉冲峰值均可调节,对应实现脉冲束流的脉冲频率、占空比和脉冲峰值调节.试验证明在平均束流焊透相同材料时,相比连续束流电子束焊接,脉冲电子束焊接热输入减少,焊缝宽度有减少趋势.

高压脉冲电子束的控制及其对焊缝形貌影响

研制出一台150 kV/30 kW高压脉冲电子束焊机,介绍了控制脉冲束流产生的偏压脉冲电源拓扑电路结构及脉冲束流频率、占空比、束流基值、束流峰值的调节控制技术.在0～1 kHz频率范围内,该电源可输出最大幅值200 mA的脉冲电子束束流,且工艺参数调节方便.分别采用脉冲束流与连续束流电子束工艺焊接了1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢,对不同工艺的焊缝形貌进行了对比分析.与连续束流电子束焊接工艺相比,采用脉冲电子束焊接工艺的焊缝熔深增加,深宽比增大;对于脉冲电子束焊接工艺,占空比给定时,随着束流频率增加,焊接缺陷减少.试验结果表明:脉冲束流频率、占空比是影响焊缝成形的关键工艺参数;脉冲调制方式控制偏压是获得高压脉冲电子束的理想控制技术之一.

150 kV逆变电源性能优化及其束源特性

为了进一步提高电子束流发生系统工作的可靠性和稳定性,提高电子束加工质量,采用AC-DC-AC-DC-AC-DC的拓扑电路、新型功率变压器、高压脉冲检测技术、优化的束流反馈控制与灯丝加热电流闭环反馈控制技术等,分别优化了高压加速电源、偏压电源与灯丝加热电源。将所研制逆变电源与150 k V/30 k W电子枪、真空系统等组成了一套电子束流发生系统,测试了该电子束流发生系统输出的高压、最大束流以及灯丝加热电流、偏压变化对束流输出的影响。试验结果表明:经过优化的逆变电源高压输出达到-150 k V,高压输出线性度较好,最大束流达到200 m A;高压、灯丝加热电流给定时,随着偏压降低,束流输出逐渐增大;高压、偏压给定时,随着灯丝加热电流增大,束流输出存在死区、线性增大区和恒流区。

电子束快速成型机聚焦及偏扫系统的工程实现

阐述了电子束快速成型机聚焦及偏扫系统在工程上所遇到的几个问题及解决方法。主要有:制造工艺引起s、t轴偏扫不垂直,通过斜角坐标和直角坐标数据互换算来解决此问题;电子束偏转后束斑散焦,采用以电子束偏转位置为因变量校正聚焦励磁电流来解决此问题;电子束聚焦校正励磁电流与反映位置的s、t轴偏扫励磁电流之间存在非线性,采用偏扫场按扇形分区,试验获取特征点参数数据,区域内每点参数按线性近似处理;磁路动态损耗影响聚焦补偿精度和偏扫精度,励磁电源指令电压采用比例-微分输入方式加以解决。试验结果表明电子束斑的均匀性和偏扫精度均明显优于无补偿系统。

中压型大功率电子束焊机电控系统的研制

本文介绍了７０ｋＶ、３０ｋＷ电子束焊机电子枪电源──加速电源、灯丝电源、轰击电源和偏压电源的特点及其控制原理。

基于CPLD的电子束同步扫描控制系统

针对中高压电子束焊机5～60 mA电子束流的品质诊断,通过研究电子束在电磁偏转线圈中的扫描运动原理,建立了基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的电子束高速偏摆扫描系统.该控制系统由工业控制计算机,CPLD主控电路、D/A转换电路、低通滤波电路、光电隔离电路、功率放大器、电磁偏转线圈以及CPLD外围电路组成,实现了两路波形特殊的相位关系,控制采集卡的触发和采样频率,偏转扫描频率可以在0～15.6kHz范围内调节,功率放大采用恒流方式,最大输出电流为5 A.该系统无需改变硬件电路,即可实现信号参数的任意调整,改变电子束的扫描路径,因此具有很高的柔性.

电子束焊缝自动跟踪系统设计

叙述了一种用于局部真空电子束圆形焊缝的自动跟踪系统的设计和试验过程。在局部真空电子束焊接精密结构件的圆形法兰焊缝时,由于加工偏差、工装累计误差等原因,出现电子枪回转中心与焊缝圆心不同心现象。使用本控制系统,使转台在起始位置时,用小束流电子束对准工件扫描,利用电子束在焊缝上和在工件上产生的二次电子数量不同而检测出焊缝起始点位置。利用相同工作原理,再用小束流对整条圆焊缝进行扫描,并由计算机实时记录整个圆形焊缝上各点与扫描线圈电流过零时电子束束斑间的偏差值,完成一个示教过程;然后由计算机处理与分析所获取的数据并存贮;在焊接时利用处理后的偏差值在圆形焊缝相应位置不断修正电子枪的位置,从而达到电子束束斑与焊缝自动对中的目的。

EBY1-60×134型电子束焊机控制系统的设计

介绍了EBY1-60×134型法兰环缝局部真空电子束焊机的基本组成及作用,对该焊机的控制系统的组成和工作原理进行了分析,提出以工控机作为上位机控制核心,可编程控制器作为下位机控制核心的控制系统主要组成,设计了上位机工控机的控制软件,下位机PLC的控制软件,实现对法兰环缝局部真空电子束焊机的真空系统控制、焊接过程控制和焊接工艺过程的数据管理,应用该设备已成功地焊接了某大型航天飞行器典型结构件上的法兰环缝。设备运行表明:焊机的控制系统硬、软件设计合理,功能完善,工作可靠,满足了法兰环缝局部真空电子束焊接的需要。

EBW—4C型微机控制通用电子束焊机的研制

本文介绍了一种微机控制的通用电子束焊机,并详细分析了该焊机的机械结构特点、控制特点,说明了其功能较专用焊机有明显的改进和提高。

一种新型的电子束焊机用多种扫描信号发生器

介绍了一种新型的电子束焊机用多功能数字扫描信号发生器。分析了信号发生器的工作原理，并对各功能电路作了详细的说明。

电子束焊接束流诊断用法拉第筒传感器研制

针对中高压电子束焊机5-100mA的电子束流诊断，完成了法拉第筒传感器的研制。该传感器由法拉第筒、微弱信号放大电路、增益控制电路构成。法拉第筒电极入射孔采用双孔结构，有效的阻止了二次电子和背散射电子的逸出，提高了电子束流的收集效率。通过控制微弱信号放大电路的增益将整个束流强度范围内的信号放大到伏级。在Ua=150kV，b=10mA，If=360mA，H=315Inin条件下采集功率密度分布数据，得到束流密度的二维分布图形。由于受电子束焊机特性的影响，束流功率密度分布呈非对称性的近高斯分布。

基于LC谐振变换器的电子束焊机高压电源

针对传统电子束焊机高压电源频率低,变压器体积、质量大的问题,利用LC谐振变换器,实现功率管的软开关,提高逆变器电路的工作频率,达到减少变压器体积、质量的目的。软开关技术避免了功率管在高速开通、关断下产生的谐波,并减少开关损耗。分析LC谐振变换器的工作原理,采用BUCK电路调节母线电压的方式,避免LC谐振变换器在负载较轻调频很难改变电压的缺点。通过调试电子束焊机高压电源,分析试验参数,验证设计的合理性。