像差對高壓電子束焊機(jī)電子束束斑的影響

倪士勇++羅靜

摘 要：由于電子束焊機(jī)在焊接方面的諸多優(yōu)勢，近年來，在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，而影響電子束焊接質(zhì)量的一個重要因素就是電子束束斑的大小。重點討論了在電子束焊機(jī)理論設(shè)計中影響束斑直徑的球差和色差兩種像差，分析了像差產(chǎn)生的原因，歸納了像差半徑的計算公式，并總結(jié)了減小像差的措施，為電子束焊機(jī)理論設(shè)計中電子軌跡的研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：高壓電子束焊機(jī)；束斑；球差；色差

中圖分類號：TG439.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.128

電子束焊接技術(shù)是用極致密的電子流轟擊被焊金屬的接縫，進(jìn)而加熱并融化金屬，形成焊縫實現(xiàn)焊接的一種加工方法。主要優(yōu)點有焊縫深而窄、能耗較低、熱影響區(qū)窄、焊縫變形??；工藝適應(yīng)性好，可焊接一般熔焊法難于焊接的特種難熔金屬、熱敏感性強(qiáng)的金屬及異種金屬材料，焊接效率高；焊接參數(shù)重復(fù)性及穩(wěn)定性高，易于實現(xiàn)控制自動化；真空施焊可獲得高質(zhì)量的焊縫等。因此，電子束焊接越來越多地應(yīng)用于航空、航天、汽車等制造業(yè)中。

高壓電子束焊機(jī)俗稱電子槍，由燈絲陰極通電后產(chǎn)生大量的熱電子，在高壓電場的作用下熱電子被加速，形成束流，速度一般可以達(dá)到光速的2/3左右。但電子間會互相排斥，所以，需要用磁聚焦線圈將電子束聚焦，形成標(biāo)準(zhǔn)直徑為約0.1～0.75 mm的束斑，電子的動能轉(zhuǎn)化為熱能，被轟擊的工件材料迅速升溫熔化，達(dá)到焊接的目的。理論計算模擬出來的電子軌跡由于受到客觀因素（機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差、安裝誤差、電子速度不均勻以及入射條件不滿足傍軸條件等）的影響，與理想狀態(tài)下的電子軌跡有一定的偏離，這種現(xiàn)象就稱為像差。

像差的存在會影響電子的飛行軌跡，進(jìn)而影響到電子束束斑的大小。由于電子槍發(fā)射功率是不變的，如果能使控制打到工件上的電子束束斑的截面面積縮至最小，就可以大大提高單位面積上的電子束能量，從而提高焊接質(zhì)量。因此，有必要對像差的形成及控制進(jìn)行研究，從而為改善電子束聚焦質(zhì)量提供理論支持。

理想狀態(tài)下的電子飛行軌跡，是基于下列假設(shè)的：①磁聚焦系統(tǒng)的嚴(yán)格軸對稱；②電子束軌跡滿足傍軸條件；③電子速度均勻；④電流和電壓無波動；⑤電子槍系統(tǒng)無結(jié)構(gòu)和安裝誤差。

如果上述條件中有一個或幾個不能滿足，就會產(chǎn)生一種或多種像差。下面針對幾何像差、色差等主要像差對電子束直徑的影響進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1 幾何像差

如果電子束入射條件不滿足傍軸條件，它們與同樣初始條件下的理想軌跡是有差別的，這就是幾何像差。幾何像差的大小是評價電子束聚焦質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。要想計算出全部幾何像差很困難，也沒有必要，研究實踐證明，三級幾何像差占全部幾何像差的95%以上。因此，在實際計算中，只需求出三級幾何像差。幾何像差主要分為球差、像散、畸變等。在大功率強(qiáng)電流電子槍電子光學(xué)磁聚焦系統(tǒng)中，幾何像差中的球差是影響電子束聚焦質(zhì)量的最重要的因素。

1.1 球差

球差產(chǎn)生的原因在于軸對稱磁場的特性，即越靠近束邊緣的電子，受到磁場的會聚力作用越大。因此，電子束不能實現(xiàn)理想會聚。如圖1所示，由于磁透鏡球差的存在，入射位置不同的兩對平行光束通過磁透鏡后沒有聚焦在同一點，而是分別聚焦在z軸上的2個點。在垂直于z軸的像平面上會看到聚焦光點，在高斯理想平面處形成的斑點直徑就稱為球差直徑。球差半徑可以通過下式計算：

rS=CSγ03. （1）

式（1）中：Cs為球差系數(shù)，可根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)計算得出；γ0為電子束會聚半角，rad。

在實際計算過程中，認(rèn)為電子束進(jìn)入磁透鏡磁場時的入射角即為電子束的會聚半角。

球差是軸上唯一不可能等于0的幾何像差。其他幾何像差只要裝配正確，都可以忽略。此時，球差便成為唯一的幾何像差。因此，在工程中不能忽略球差的影響。為了減小球差，常采用下列措施：①減小會聚角。這是最常用的方法。然而，隨著會聚角的減小，電子束流迅速下降，進(jìn)而影響電子束到達(dá)焊件時的強(qiáng)度。因此，減小會聚角不是無限制的。②提高加速電壓。實踐證明，球差系數(shù)與加速電壓的平方近似成反比，且加快加速電壓后，電子束的強(qiáng)度變大，還可以進(jìn)一步減小會聚角。③增大聚焦線圈的內(nèi)徑，使電子束的運動更接近傍軸條件。實踐證明，如果線圈直徑大于電子束直徑10倍以上，則球差會變得很小。④降低放大率。相關(guān)實驗證明，放大率與球差系數(shù)成正比，降低放大率就可以減小球差系數(shù)。為達(dá)此目的?？梢砸苿泳€圈位置，使磁場遠(yuǎn)離陰極。

上述幾種措施都可以達(dá)到減小球差的作用，如果同時采用多種措施，則效果更佳。

1.2 其他幾何像差

1.2.1 軸上像散

磁聚焦系統(tǒng)的磁透鏡采用的是帶有極靴的磁透鏡，透鏡的磁場應(yīng)該是軸對稱分布的，這是最理想的情況。但實際上，由于極靴加工的精度有限或其他原因，使場的軸對稱性受到了破壞，形成近似的雙對稱場，在垂直于z軸的相平面上形成了彌散圓斑，即為軸上像散。

1.2.2 畸變

當(dāng)電子束邊緣電子離軸較遠(yuǎn)時，實際聚焦并不與理想焦點重合。這種誤差稱為畸變。這種幾何像差是由于磁透鏡對邊緣電子聚焦較強(qiáng)引起的，也就是因電子磁透鏡對電子束中電子的放大倍數(shù)不同造成的。

1.2.3 慧差

如果電子束中心與z軸不重合，且偏離較小時，則電子束的對稱性被破壞在理想平面上得到的不是一個點，而是一個圖形，形似彗星。因此，這種幾何像差就被形象地稱為“慧差”。由于電子槍內(nèi)飛行的電子束直徑不大，只要電子光學(xué)系統(tǒng)的裝配準(zhǔn)確，則能保證良好的對中效果，進(jìn)而減小慧差。

以上這幾種幾何像差都是由于零件制造或裝配不精確造成的，只要提高制造、裝配的精確性，都是可以忽略的。

2 色差

在上述討論的幾何像差中，我們假設(shè)電子槍陰極發(fā)射的電子束的電子速度是均勻的，但在實際中，從陰極發(fā)出的電子的初始速度并不完全相同，是有一個范圍的。此外，加速電壓的波動、線圈電流的不穩(wěn)定等可能造成電子速度的不均勻。速度不同的電子受到磁透鏡的聚焦作用也不相同，進(jìn)而影響了電子束的會聚，由此造成的像差稱為色差。色差分為相位色差（也稱為中心色差）、放大色差和轉(zhuǎn)角色差。這三種色差往往同時存在，后兩種色差對軸上電子束聚焦質(zhì)量的影響很小，可以忽略，因此，本文重點討論中心色差。色差產(chǎn)生的原理如圖2所示。

基于加速電壓波動和聚焦電流波動，可得到物平面上的色差半徑：

式（2）中：γ0為電子束會聚半角；Cc為色差系數(shù)；ΔU/U為高壓電源的穩(wěn)定度；ΔI/I為透鏡電源的穩(wěn)定度。

色差也是一種軸上不等于0的像差，它對電子束斑的大小影響較大，在磁透鏡中無法徹底消除，只能采取一定措施使其減小。

常用減小色差的措施有：①穩(wěn)定電源電壓，減少電壓和電流的波動，包括加速電壓和磁透鏡線圈電流；②降低電子束的熱初速度，比如采用工作溫度較低的陰極（氧化物陰極）；③提高加速電壓，使電子速度的相對變化較小。

3 像差的疊加

在電子束實際聚焦過程中，總存在像差的影響，增大了待焊工件上的電子束直徑。綜上所述，對電子束實際束斑半徑影響較大的是球差和色差，其他像差可以忽略。因此，電子束實際的束斑直徑為：

式（3）中：rR為電子束理想束斑半徑；rc為色差產(chǎn)生的彌散圓半徑；rs為球差產(chǎn)生的彌散圓半徑。

4 結(jié)束語

電子束焊機(jī)中的電子束束斑越小，能量密度就越大，熱影響區(qū)越小，焊接時電子束的穿透能力就越強(qiáng)，焊接的質(zhì)量也越高。理論設(shè)計時，可通過各參數(shù)的調(diào)整達(dá)到嚴(yán)格控制束斑直徑的目的，但一般電子槍的結(jié)構(gòu)是受到限制的，尤其是一些手持式焊機(jī)，聚焦線圈D、放大倍數(shù)、會聚角等都不能有太大的變化，縮小物距a是一個發(fā)展的方向。此外，電子槍零部件在裝配時的精確程度會對束斑直徑造成很大的影響。

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作者簡介：倪士勇（1975—），男，主要從事機(jī)械方面的教學(xué)和研究工作。

〔編輯：張思楠〕