电子束焊设备

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电子束焊
（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。
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.真空室 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）
电子束焊
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。
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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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。
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。
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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。
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。
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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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。
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。
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。
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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
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。
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德国海多恩高温高真空焊机
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。
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
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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。
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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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（Nb-铌、 Ta-钽）
电子束焊
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。