真空电子束焊机工作原理及典型故障分析

正常情况下 ，当焊接室的低真空度及扩散泵油温度均 抵 达设 定值后 ，就可 以进行 高低真空 回路 的切 换 。此时翻 转 阀动作 ，将扩 散泵管路接 通 ，进入抽 高真 空阶段 。翻转
阀是 由汽缸来推 动的 ，汽缸 活塞 向前 或 向后运 动分别 由两 个 电磁 阀来控 制 。现 在 的故障 现象是 ：进入 抽 高真 空后 ，
表 厅 Ｐ ｃ 作 正 常 ；Ｕ Ｅ ５ ＣＣ Ｎ Ｒ Ｌ ÷Ｌ 工 Ｓ Ｒ ：Ｎ ０ Ｔ ０ 表示 Ｎ 系 统 工作 Ｃ
正 常 ；Ｕ Ｅ ４ Ｈ Ｕ ＡＵ Ｔ Ｓ Ｒ ：Ｖ Ｅ Ｂ ＳＦ Ｌ 表示 Ｖ Ｅ Ｈ 总线 错误 故 障 ；
Ｕ Ｅ ３ Ｎ Ｎ Ｏ Ｔ Ｏ 表示Ｎ 控制启 动 ；Ｕ Ｅ ２ Ｄ Ｙ Ｓ Ｒ ：Ｏ Ｃ Ｃ Ｎ Ｒ Ｌ Ｃ ＳＲ ： Ｒ
中科 院阳算工 自化业专 国学沈计所业动事 部栏
文章 编 号 ：１７— ７ （０ ５ ０ ６－ ３ ６ ０ ２ １）０— ０ ５ ０ １ １ １ １
＿ 投
麓
真 空 电子束焊机 工作原理及典型故 障分 析
胡 志 阳 ，柏 松 ，霍 淑 兰
ｆ． 工 业 沈 阳黎 明 航 空 发 动 机 （ 团） 有 限 责任 公 司 ，辽 宁 １ 中航 集 沈 阳 １ ０ ４ ； １０ ３
Ｒ Ｎ 空运行 方 式 ；Ｕ Ｅ ：Ｅ Ｄ Ｐ Ｏ Ｒ Ｍ Ｃ Ｎ Ｅ Ｕ Ｓ Ｒ１ Ｎ － Ｒ Ｇ Ａ ＨＡ Ｇ 结
束程序改变 ；Ｕ Ｅ ０ Ｅ Ｏ Ｓ Ａ Ｕ Ｉ状态位为零 。 Ｓ Ｒ ：Ｚ Ｒ ＝ Ｔ Ｔ ＳＢＴ
当 Ｕ Ｅ ７ “ Ｆ ” 状 态 时 ，Ｕ Ｅ ６ Ｕ Ｒ Ｏ ＳＲ 为 Ｏ Ｆ Ｓ Ｒ ：Ｂ ＳＥ Ｒ Ｒ总
１ 无 法 加 高 压 ．
电子枪室与 焊接室 的真 空度都 达到工 作要求 ，设 定工
作高压值为 一 ５ ｋ １０ Ｖ，加 到阴极上 ，在显示器上 可看到实 际 阴极 电压从０ 渐升到４ ｋ 时系统显示 “ 逐 ０Ｖ 高压 电源错误 ”报 警 。同时在 加高压 的过程 中可听见高 压 电源油箱 内发 出清 晰的爆裂声 。将高压 电缆从 油箱连接 处断 开重新加 高压故 障现象一样 。由此可 判断高压电缆和电子枪部分 是正常的 ，
２中国科学 院沈 阳计算技术研究所有限公 司 ，辽宁 ．
沈阳
１Ｏ ６ ） １８ ｌ
摘
要 ：以德 国Ｉ Ｍ公司生产的真空电子束 焊机 为例 ，介绍 了真空 电子束焊机的工作原理。通过利用该 系 Ｇ
统的报警信息 、控制系统 的状态诊断和Ｐ ｃ ５ Ｌ ｓ 的在线诊断等方法 ，对 此类设备 在生产中出现的典型故障进
特点 。运动方 式有手动控制和 自动控制两种 ，方便操作者使 用 。当运动 系统出现故 障时通常在 电脑 屏幕上有 相应 的报 警 ，但驱动器也有指示灯提示相关的原因，其含义见表 １ 。
表１
符号 Ｓ Ｖ 意义 零速指令 提示颜色 符号 绿色 Ｄ１ 意义 电缆故障
测 速机
ＤＯ
电流 限制
同步 电流 限制 准备就绪
黄色 黄色
绿色
Ｄ ６ Ｄ ７
电源温度
电源温 度 报警
红色 黄色
发 现是 由于扩 散泵温 度传感 器接 触不 良误发 温度 低信 号 ， 造成控制系统将 翻转 阀关 闭，更换此传感器后 此故 障排除。
３电子束 焊接 时电子束抖动问题 的解决 ．
当电子枪 及管路 中的真空度达 到２×ｌ－ ａ时 ，涡轮 分子 Ｏ： ｒ Ｍｂ 泵开始工 作 ，当电子枪 的真空度 达到４Ｘ１－ ｂｒ 电子枪 ０４ ａ时 Ｍ
隔离 阀 可 以打 开 。
机） ，当Ｅ Ｃ Ｎ出现报 警时 ，由于屏幕上不 显示报警信息 ， ＢＯ
此时可根 据Ｅ Ｃ Ｎ系统 的Ｖ Ｐ ＢＯ Ｃ Ｕ板上 的Ｕ Ｅ Ｓ Ｒ灯的指示 状态 判 断故 障原 因。 当Ｕ Ｅ ７ “ Ｎ”状 态时 ，Ｕ Ｅ ６ Ｌ Ｏ Ｔ Ｏ ＳＲ 为 Ｏ Ｓ Ｒ ：Ｐ ＣＣ Ｎ Ｒ Ｌ
压 （ 栅极 电压） 。通过调整栅极 电压 的大 小来 控制 电子束 流 的大 小 ，栅 极 电压 越 小 束 流 越 大 ，栅 极 电压 正 常值 为
…
图２ 高 压 电源
２０ ０ ２ ０ ０ ０ Ｖ，对应束流为０ ０ ｍ ～１０ Ａ。电子经加速后 ，再
灯丝电源主要用 于加热灯丝 。此 电源为直流 电源 ，电 压 为 ０～９ Ｖ可 调 ，电 流 为 ０～ ４ ２ Ａ可 调 。 偏 压 电 源 是 以
３ 真空 系统 ．
５ ．数控系统 采用德 国Ｉ Ｍ公 司研 制 的Ｅ Ｃ Ｎ 制系 统 （ Ｇ ＢＯ 控 工业 控制
电子束焊机 的真空系统如图３ 所示 。分别 由电子枪真空
系统 和焊接室真空 系统两部分组成 。电子枪 真空 系统 由机 械泵和蜗轮分子泵构成 ，在抽真空时 ，机械泵先开始工作 ，
压 ，其 原 理 如 图２ 示 。 所
电子枪的工作 原理是源 于 阴极 射线管 的控制 原理 ，其 结 构如 图１ 示 。在 真空条 件下 ，当灯 丝 被加 热到２５ ０ １ 所 ０ Ｙ 时，灯 丝周围产生 大量 的 自由电子 。在灯丝上加 一 ５ ｋ １ ０Ｖ的
高压 （ 加速 电压），在灯丝下 部 的偏 压规 上加一 ０ Ｖ的电 １５０
提示颜 色 红色
翻转阀又突 然 自动关闭 ，如不处理 又可 自动打开恢复 正常
运行 。有一次甚 至故障发生 在焊接过 程 中，造 成加工件 报
废 。经初步观察故障发生时翻转阀确实接到 了来 自Ｐ Ｃ Ｌ 的关 闭信号 ，由于故障发生 时间及周期不 确定 ，在排除故 障过
程 中使用 了ＳＥ Ｎ 公司 的编程器 ，将其 连接在Ｓ 型可编 ＩＭＥ Ｓ ５
常工 作 时 ，低真 空 回路先 运 行 ，同 时高 真 空 回路进 行 准 备一 扩散 泵开始加 热 ，它 的前级机 械泵和 罗茨泵 同时工
作 ，当焊接 室 的真 空度到达 ２×ｌ－ ａ，并 且扩散泵 油温 Ｏ Ｍｂｒ ２
到 达设定值 时 ，低真空 回路关闭并停 止工作 ，扩 散泵 上端
的翻转阀打开 ，高真空 回路 开始工作 ，当真 空度到达６７× ． １－ ａ时，机床就可以进行正常的焊接工作 。 ０ Ｍｂｒ ４
初 步 怀 疑 高 压 电 源 箱 内部 有 电 气 元 件 损 坏 ，将 高 压 油 箱 打 开 后 检 查 发 现 升 压 电路 中有 一 个 电 阻 烧 坏 ， 在 检 查 其 他 电
真空 和高真空两个 系统 。其 中低 真空系统 由机械泵 和罗茨
泵组成 ，高真空系统 由机械泵 、罗 茨泵和扩散 泵组成 。正
Ｒ Ｎ
Ｒ Ｐ Ｒ Ｓ Ｅ Ｆ
负 向锁定
正 向锁定 锁紧 超程解除
绿色
绿色 绿色 绿色
Ｄ ２
Ｄ３ Ｄ ４ Ｄ ５
接地故 障
欠压 负载太大 过压
红色
红色 红色 红色
程控制 器上 ，在 梯形图上检 查翻转 阀控 制信号 条件 ，最 终
Ｉａ ｓｔ ｔ Ｉｙ ｄｎ
油 箱处断开 ，重新 升高压没 有 出现故 障报警 ，由此判断高 压 电源正常 ，有可能 是 电子枪 出现 问题 ，将 电子枪拆 下进
故 障排 除方法 ：首先必须 断定设 备 电子枪和 电子柬产 生 部分 是否存在 故障 ，方法 是拿一块 试片直 接放在 工作 台 上抽 真空后试加 工正常 ，第 一项原 因被排 除。用磁 力仪检
真 空 电子 束 焊 接 机 是 中航 工 业 沈 阳黎 明 航 空 发 动 机 （ 集
团）有限责任公司从德 国Ｉ Ｍ公司引进 的一种用 于真空焊接 Ｇ 加工 的特 种设备 ，担负着公 司科研生产 的关 键任务 。它 主 要 由真空 系统 、高 压 电源 、电子枪 、真 空室 、坐标 运动 系 统 、数控 系统及逻 辑控制 系统等组成 ，由于 其结构 复杂涉 及到多种 学科 的知识 ，因此要 求维修人 员要 有较强 的综合
一
经 过磁 场 的校 准和聚焦 ，最后聚成 一点轰击 到零 件表 面产 生 大量 热能 ，依靠 这种热 能将金属零 件局部 熔化 ，从而进
１０ Ｖ ５ ｋ 为基准 ，提供一个一 ０ Ｖ 电压作为栅极电压 。 １ ０的 ５
２１￣０月 Ｊ中 ０１ ５ 国设备工 程
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中国科学院沈阳计算所工业自动化事业部专栏
行分 析 。
关键词 ：电子束焊机 ；工作原理 ；故障分析
中图 分 类 号 ：Ｔ ４ Ｇ３ 文 献 标 识 码 ：Ｂ
随着我 国大型飞机 的制造及航天探 月工程 的陆续启 动 ， 对先进 焊接技术 的发展具 有强大牵 引和推 动作用 。焊接 技 术 已逐 渐 由原来 的一种辅 助制造工艺 演变 为一种关 键制造 技术 。其 中，电子束焊接 由于具有高 能量密度 、高熔 透性 、 焊接变形 区小 、易于控制 、能焊接难熔及 异种金属等优 点 ， 已成为航天航空制造业 中不可替代 的工艺技术。
查 工件 的剩磁 ，也在正 常值 范 围内 ；检查 工件及 夹具接地 电阻均正常 ，排 除 了后两项 原 因。以上 的检 查和试 验虽然
行 分解检查 ，可清楚 地看见 在枪 室壳 体 的绝 缘壁上 有大 片 放 电痕迹 ，用 细砂纸 打磨去 除痕迹 ，用酒精 清洗壳 体及 内 部其 他部件 ，使 电子枪 内保 持洁净无 尘 ，重 新安装 电子枪
根据故 障现象和 电子 束产生 的条件判 断 ，可能 的故 障
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中国设备 工程 Ｉ ０ ５ ２１年ｏ月 １
中国科学 院 沈阳计 算 所工 业 自动化事 业 部专栏
原因有 ：（） １电子枪偏压 杯或 阳极 脏污 ；（）２ ２５ 件或 夹具有 剩 １
磁 ；ｆ）２ 或 夹 具 接 地 不 良。 ３３件 ￣
线 错 误 ； Ｕ Ｅ ５ Ａ Ｒ Ｓ Ｒ Ｏ Ｓ Ｒ ： Ｄ Ｅ Ｓ Ｅ Ｒ Ｒ地 址 错 误 ； Ｕ Ｅ ４ ＳＲ ：
Ｄ Ｆ Ｅ Ｅ ＴＦ Ｕ Ｔ 示 特 定 的 异 常情 况 。 ＩＦ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ 表
二、典型故障维修
图３ 真空系统原理 图 焊接室真 空系统根据焊 接工艺 的不 同参 数要求提 供低
可 以运行 ，说 明伺 服驱动器 和伺 服电机正常 。（ 按 自动控 ２ ）
制 原 理 和 比照 数 控 机 床 的 工 作 状 态 应 该 产 生 “ 随 误 差 ” 跟
异 常 ，说明 问题仍 出在工件 或Baidu Nhomakorabea具上 。仔 细检查这 两部分
与平 时 的状态相 对 比，发现 零件上缠 了许 多高温胶 布 （ 为 了防止零件被灼伤） ，根据电子束的工作原理 ，当其通路上 遇 到其 他磁场 时会 产生抖动 甚至偏移 的现象 ，由于该 胶布 是第一 次用于 电子束焊加工 ，虽然事 先经过 磁力仪 检查剩
调整无误后试机故 障排除 。 ５ Ａ轴手 动运行时 ，屏 显位置值 小于实际值且无报警 ． 故 障分析 ：（） １由于Ａ 自动 、手动方式故 障现象相 同且 轴
没有 找 出故 障原 因但却缩小 了故 障范 围 ，即设 备 电子束 的
产 生 和 加 工 方 面 是 正 常 的 。 由于 试 片 加 工 正 常 而 零 件 加 工
图 １ 电子 枪 工 作 原 理 图
技 术能力 ，笔者通过对 一些典 型故 障的分析 ，以期 为今后
的维修提供一些帮助 。
一
行焊接加工。
２ 电 源 ．
、
工 作原 理
１ 电子 枪 ．
电子束焊机的电源主要包 括高压 电源、灯丝 电源及偏 压电源。高压电源主要是 给阴极Ｃ 盯丝） 提供一 ５ ｋ 的工作 电 １０Ｖ
４ 坐 标 运 动 系统 ．
路 正常 的情况 下更换一个新 的 电阻通 电试运行 ，在初 次加 压 时从 一０ Ｖ ３ ｋ 开始逐 步缓 慢地将 电压 升高 到一 ５ ｋ １ ０Ｖ。经过 这一系列的工作 和调试 ，高压 电源可正常工作。 ２ 扩散泵温度传感器故障 ．
共有 四个坐标 ：Ｘ、Ｙ、Ａ、Ｂ ，都是使用半 闭环作 位 轴 置反馈 ，驱动器均使用德 国进 口的Ｄ ８ ８ Ｘ ０ 型直流驱动器 ，电 机采用 的是ＳＥ Ｎ 直流电机 ，具有响应 快和运动惯量小的 ＩＭＥ Ｓ