电子束焊设备

电子束焊
一、电子束焊机的组成
真空电 子束焊 机组成
电子枪
工作室（真空室） 高压电源 电气控制系统 真空系统 工作台 辅助装置
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(一）电子枪
1.电子枪的作用及结构组成
电子束焊机中用以产生电子并使 之汇聚成电子束的装置称为电子枪。 它是电子束焊接设备的核心部件。
能防护X射线。
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真空室可用低碳钢板制成，以屏蔽外部磁场对电子束运动轨迹的干扰。
工作室内表面应镀镍或进行其他的表面处理，以减少表面吸附气体、飞溅及 油污等，缩短抽真空时间和便于真空室清洁的工作。真空室通常开一个或几 个窗口用以观察内部焊件及焊接情况。
低压型电子束焊机（加速电压＜40kV）可以靠工作室钢板的厚度和合理 设计工作室结构来防止X射线的泄漏。中、高压型电子束焊机（加速电压＞ 60kV）的电子枪和工作室必须设置严密的铅板防护层，铅板防护层应粘接 在真空室的外壁上，在外壁形状复杂的情况下，允许在工作室内壁粘接铅板。 在电子枪内电位梯度大的静电透镜区内，不允许在其内壁粘接铅板。
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（三）真空系统及真空室
1.真空系统 作用：对电子枪和真空室抽真 空。
低真空泵 油扩散泵 涡轮分子泵
也称为活塞式或叶片式机械泵， 能够将电子枪和工作室从大气 压抽到10Pa左右。
油扩散泵不能直接在大气压下 启动，必须与低真空泵配合组 成高真空抽气机组。用于将电 子枪和工作室压强降到10-2Pa 以下
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（Nb-铌、 Ta-钽）
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目前在工业部门和实验室中应用的电子束焊机主要有以 下几种类型。
大型真空电子束焊机 局部真空电子束焊机 通用型电子束焊机 批量生产用电子束焊机
该类焊机的真空容积从几十立方米到几百立方米。日本 的MHI公司和Hitachi公司分别有一台280m3和110m3的大 型真空电子束焊机，乌克兰巴顿电焊研究所有一台 450m3的YN—193型真空电子束焊机，法国的 Techmeta 公司则建造了一台 800m3的大型真空电子束焊机。
世界上电子束焊机生产商主要有英国剑桥真空工程公司（CVE）、 法国的泰克米特电子束焊公司、德国的波宾电子束焊技术有限公司以 及乌克兰的巴顿焊接研究所等。我国真空电子束焊机的研制自20世 纪80年代以来取得了较大进展，国内主要专业生产厂家有上海电焊 机厂、成都电焊机研究所、沈阳电焊机厂及桂林狮达、中科电气等， 目前中等功率的真空电子束焊机已形成了系列，50kV、60kV的焊机 已在实际生产中得到广泛应用，一些焊接设备采用了微机控制等先进 技术。图1－10为国产EZ一60／110型真空电子束焊机。
1.高压电源 作用：为电子枪提供加 速电压、控制电压和灯 丝加热电流。
电源应密封在油箱体内，以防止 伤害人体及干扰设备的其他控制 部分。纯净的变压器油既可作 为绝缘介质，又可作为传热介质， 将热量从电器元件传送到箱体外 壁。电器元件都装在框架上，该 框架又固定在油箱的盖板上，以 便维修和调试。
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使电子束的束斑对准被焊工件的接缝或在 焊缝区作有规律的周期性运动。偏转方向 和偏转量可通过改变偏转线圈中的电流方 向及大小来调节。
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2.电子枪中的阴极
阴极材料：采用热电子发射能力强而且不易“中毒”的材料，常用钨、钽、 六硼化镧（LaB6)等。
六硼化镧
在较低的工作温度下具有很强的发射电子的能力，常用作大功率电 子枪的间接加热式阴极。这种阴极在工作过程中遭受离子的轰击， 会改变其形状和成分，使发射电子的能力随着阴极使用的时间有所 变化。
真空室的尺寸和形状应根据焊机用途和零件尺寸而定。通用型电子束焊机
的真空室容积大，专用型电子束焊机是根据被焊工件来设计工作室的，特别 是对生产率高的焊机，为了减少抽真空时间，应尽量减小真空室容积。由于 电子束焊接适用范围很广，所以电子束焊机真空室的结构多种多样，其尺寸 也大小不一。
为了避免出现X射线的泄漏、真空室的变形等问题，电子束焊机的使用者 不得随意改装真空室。
阴极
阴极处于高的负电位，它与接地的阳极之间 形成电子束的加速电场。
偏压电极 阳极
聚焦线圈
偏转线圈
偏压电极（又称栅极）相对于阴极呈负电 位，通过调节其负电位的大小、改变偏压 电极形状及位置可以调节电子束流的大小 和改变电子束的形状。
又称电磁透镜，其作用是将电子束流聚焦 到工件的焊缝上，这样既增加了电子束焊 接的工作距离，而且又易于对其控制和调 节。
电子枪的重复性取决于电子枪的设计精度、制造精度以及控制技术等。
4．电子枪的安装
电子枪通常安装在真空室外部。垂直焊时，位于真空室顶部；水平焊时， 位于真空室侧面，根据需要可使电子枪沿真空室壁在一定范围内移动。有时 电子枪安装在真空室内可移动的传动机构上，被称为动枪。
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（二）高压电源及控制系统
该类焊机节省抽真空时间，适合大型构件、连续 产品的焊接。乌克兰巴顿焊接研究所已生产了多 台这类电子束焊机。
该类焊机主要应用于实验室及一些加工车间。它 可以通过多种工装夹具及运动工作台的配合，完 成不同类型零件的焊接，也可以进行电子束焊接 工艺试验研究。
小型真空电子束焊机主要用于批量生产汽车零 部件。近年柔性制造系统的引人，使小型电子 束焊机更加灵活，不仅适合一种产品的大量生 产，而且能满足多个品种产品批量生产的需求。
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近年来，半导体高频大功率开关电源已应用到电子 束焊机中，工作频率大幅度提高，用很小的滤波电容器， 即可获得很小的纹波系数；放电时所释放出来的电能很 少，减少了其危害性。另外，开关电源通断时间比接触 器短得多，与高灵敏度微放电传感器联用，为抑制放电 现象提供了有力手段。
该类电源体积小，质量轻，如15kw高压油箱，外形尺 寸为l100mm x500mm x 100mm，质量仅 600kg。
第二节 电子束焊设备
真空型
真空状态 局部真空型
电子 束焊 机分 类
非真空型 高压型（60～150kV） 加速电压 中压型（40～60kV）
低压型（≤40kV） 实际应用中以真空电子束焊机居多.
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各种电子束焊机的类型、特点和适用范围
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钍钨
热电子发射能力强，但在长期工作中，正离子的轰击也会使表面成 分发生变化，影响其发射电子的稳定性。
钨或钽
制成直热式阴极结构简单，但要防止阴极的热变形和补偿加热电流 的磁场对电子束的偏转作用。
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3．电子枪的稳定性、重复性
电子枪的稳定性、重复性直接影响焊接质量。影响电子枪稳定性的主要原 因是高压放电，特别是大功率电子枪（＞30kw）在焊接过程中产生的放电 现象，易造成高压击穿.为了解决高压放电现象，可设置两个聚焦线圈并在 电子束通道上设置小直径光阑，以减少金属蒸气和离子对电子枪工作稳定性 的影响。同时，双聚焦还增加了调节电子束形状的可能性。
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2.控制系统
早期电子束焊机的控制系统仅限于控制电子束流的 递减、电子束流的扫描及真空泵阀的开关。目前可编程 控制器及计算机数控系统等已在电子束焊机上得到应用， 使控制范围和精度大大提高。计算机数控系统除了控制 焊机的真空系统和焊接程序外，还可实时控制电子参数、 工作台的运动轨迹和速度，实现电子束扫描和焊缝自动 跟踪。
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（五)电气控制系统
作用：主要完成电子枪供电、真空系统阀门的程序启闭、传动系
统的恒速运动、焊接参数的闭环控制以及焊接过程的程序控制等功能。
为了便于观察电子束与接缝的相对位置、电子束焦点状态、工 件移动和焊接过程，需在电子枪和工作室内装置光学观察设施、 工业电视和观察窗口等。观察窗口通常由三重玻璃组成。为了保 护焊接时免受金属蒸气的污染，里层为普通玻璃，中层的铅玻璃 起防护X射线的作用，外层的钢化玻璃是承受真空室内外压力差 的。采用工业电视可以使操作者连续观察焊接过程，防止强光刺 激肉眼。
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德国海多恩高温高真空焊机
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电子束焊机电气控制系统
二、电子束焊机的选用
选用电子束焊设备时，应综合考虑被焊材料、板 厚、形状、产品批量等因素。一般来说，焊接化学性 质活泼的金属（如 W、Ta、Mo、Nb、Ti等）及其合 金应选用高真空焊机；焊接易蒸发的金属及其合金应 选用低真空焊机；焊接厚大工件应选用高压型焊机， 中等厚度工件选用中压型焊机；成批生产时选用专用 焊机，品种多、批量小或单件生产则选用通用型焊接 设备。
它是抽速极高的高真空泵，工 作室真空度可达10-1～10-3Pa。
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较低的真空度可用机械泵获得，高真空则采用机械泵及 扩散泵系统。涡轮分子泵无油蒸气污染，不需要预热，节 省抽真空时间，适用于电子枪的真空系统。
2.真空Βιβλιοθήκη Baidu 对真空室的要求：
良好的气密性
足够的刚度、强度指标（能承受大气压）
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（四）焊接工作台及工装夹具
工作台、旋转台和焊接夹具的作用：保持电子束与焊缝的位置、焊接 速度稳定、焊缝位置的重复精度。
多数电子束焊接机采用固定电子枪，让工件作直线移动或旋转 运动来实现焊接。对大型真空室，也可采用使工件不动，而驱使 电子枪运动进行焊接。为了提高电子束焊的生产效率，可采用双 工作台或多工位夹具。采用双工作台时，一个工作台在真空室内 进行焊接，另一个工作台在室外装卸工件。这种工作台的优点是 装配、焊接可同时进行，真空室体积小，抽一次真空可以焊接多 个零件，生产率高。对大中型焊机，为装卸工件方便，工作台大 多可移出真空室外。工作台的控制有手动和自动两种，现代焊机 的工作台多采用数控式控制，从而实现复杂焊缝，甚至空间焊缝 的焊接。
电子枪 组成
阴极
二极枪
阳极 栅级（偏压电极） 三极枪 聚焦线圈
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电子枪有4个主要作用： 1.从阴极发射电子； 2.使电子在阴极到阳极间得到加速，并形成束流； 3.用磁聚焦线圈将电子束聚焦； 4.用偏转线圈使束流产生偏转。
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三极电子枪的结构及各部分作用