超導(dǎo)線材電子束焊高壓直流電源的研究

張嘉，王瓏，方向明，王錦群，賈慶功

（西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018）

NbTi/Cu超導(dǎo)線材是目前應(yīng)用最廣泛和用量最大的超導(dǎo)材料之一，主要應(yīng)用于粒子加速器、熱核聚變以及生物醫(yī)療MRI等高科技應(yīng)用領(lǐng)域。NbTi/Cu超導(dǎo)線材的生產(chǎn)過程控制復(fù)雜，合格的NbTi/Cu超導(dǎo)線材通常由芯數(shù)上萬，直徑要求為3～10μm單芯組成，生產(chǎn)過程繁復(fù)，要通過漫長的加工周期及相當(dāng)多的加工道次的嚴(yán)格工藝質(zhì)量控制才能完成生產(chǎn)。其初始生產(chǎn)工序是無氧銅包套的封焊工作，若是此環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，在拉拔生產(chǎn)過程中很難檢測出來，通過成品線材的性能測試和實(shí)驗(yàn)才能暴露出前期生產(chǎn)的問題，因此無氧銅包套的封焊品質(zhì)對于線材的成品率保障具有重大意義。

真空電子束焊接在焊接過程中不使用焊條，保證了焊接過程不帶來其他的雜質(zhì)，真空的環(huán)境也保障了物料不被氧化，同時(shí)工藝的重復(fù)穩(wěn)定性好，且在焊接過程中熱變形量小。通過直接或間接加熱電子槍中的陰極，使其發(fā)射電子，再利用高壓靜電場將電子加速，同時(shí)通過電磁場的聚焦形成能量密度極高的電子束，而真空電子束焊設(shè)備就是利用這樣的電子束能量，在真空的環(huán)境中，轟擊焊接工件，形成熱能，將工件在焊接處熔化，通過形成的熔池來實(shí)現(xiàn)對工件的焊接工作。高壓電源對于真空電子束焊接設(shè)備的穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用，其性能優(yōu)劣與電子束焊接工藝和焊接質(zhì)量息息相關(guān)。

1 工藝技術(shù)分析

NbTi/Cu超導(dǎo)線材的初始生產(chǎn)工序是將清洗后的NbTi棒和Nb阻隔層在潔凈間內(nèi)，按一定規(guī)則進(jìn)行組裝并放置到銅包套筒體內(nèi)，然后在兩端加上上下端蓋后進(jìn)行封焊，如圖1所示。

圖1 銅包套組裝結(jié)構(gòu)示意圖

對于普通銅材質(zhì)的焊接，多采用氬弧焊的方式，這種方式在遇到熱源不足時(shí)，通常采取預(yù)熱的方式，而且氬弧焊的工作環(huán)境比較惡劣，這些在NbTi/Cu超導(dǎo)線材制備中不被允許。另外，無氧銅包套的封焊工作的一大難點(diǎn)在于，厚度20mm包套的封焊工作一次焊接在操作上難以實(shí)現(xiàn)，常用措施為開焊接坡口，進(jìn)行多次焊接，對超導(dǎo)線的高品質(zhì)要求來說，這也是不被允許的措施。更重要的是難以保證焊接質(zhì)量，再者焊接產(chǎn)生的大量熱量，將很可能對NbTi超導(dǎo)芯的性能產(chǎn)生影響。

由于在焊接過程中，真空電子束焊接不使用焊條，保證了焊接過程不帶來其他的雜質(zhì)，真空的環(huán)境也保障了物料不被氧化，同時(shí)工藝的重復(fù)穩(wěn)定性好，且在焊接過程中熱變形量小。通過直接或間接加熱電子槍中的陰極，使其發(fā)射電子，再利用高壓靜電場將電子加速，同時(shí)通過電磁場的聚焦形成能量密度極高的電子束，而真空電子束焊設(shè)備就是利用這樣的電子束能量在真空的環(huán)境中，轟擊焊接工件，形成熱能，將工件在焊接處熔化，通過形成的熔池實(shí)現(xiàn)對工件的焊接工作。高壓電源對于真空電子束焊接設(shè)備的穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用，其性能優(yōu)劣與電子束焊接工藝和焊接質(zhì)量息息相關(guān)。

紋波系數(shù)小、穩(wěn)定度高及打火時(shí)的快速自恢復(fù)都是真空電子束焊設(shè)備用高壓電源的優(yōu)點(diǎn)，紋波系數(shù)要求優(yōu)于1%，穩(wěn)定度達(dá)到±1%，同時(shí)還提出了重復(fù)性要求小于0．5%，以上要求均根據(jù)電子束斑和焊接工藝所決定。

圖2 電子束焊高壓直流電源組成框圖

2 電子束焊高壓直流電源的組成及工作原理

2.1 電子束焊高壓直流電源的組成

此電源由15部分組成：控制高壓電源的工作與否的開關(guān)控制部分；一級(jí)粗穩(wěn)壓的可控整流部分，用于改善輕載時(shí)逆變電路的工作環(huán)境；將母線直流逆變?yōu)楦哳l交流的高頻逆變部分；功率傳輸關(guān)鍵環(huán)節(jié)的高頻升壓部分；將高頻高壓交流整為高壓直流的高頻高壓整流部分；采樣電路、反饋電路、測量電路、指示電路、輔助電源、保護(hù)電路部分等基礎(chǔ)控制電路部分；以及用于高壓穩(wěn)壓專用基準(zhǔn)源的基準(zhǔn)電路；脈寬調(diào)節(jié)電路的PWM控制電路；用于驅(qū)動(dòng)逆變模塊的逆變驅(qū)動(dòng)電路；用于保護(hù)逆變模塊的限流采樣電路。

2.2 高壓直流電源工作過程及原理

本高壓直流電源主要由高頻逆變和高壓部分兩個(gè)主要環(huán)節(jié)組成。電源逆變環(huán)節(jié)采用軟開關(guān)穩(wěn)壓電源技術(shù)，使用新型的IGBT功率器件作為功率開關(guān)，將大大降低開關(guān)損耗，電源濾波器由前級(jí)電網(wǎng)輸入濾波器、平波電抗器以及電容組組成，極大減小了高壓電源對于電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)也降低了直流母線上的紋波；逆變部分采用進(jìn)口厚膜驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)IGBT，此技術(shù)使直流電源保障了功率變換的更好實(shí)現(xiàn)，其原理如圖3所示；獨(dú)特的高頻高壓繞制工藝制成的高頻變壓器磁芯采用的是最新的是非晶態(tài)材料；為保障穩(wěn)壓精度、電源電壓調(diào)整率以及高壓測量精度，反饋和指示的電壓信號(hào)都采用高精度的分壓器，從直流高壓端采樣。

圖3 功率變換部分原理框圖

3 關(guān)鍵技術(shù)及其解決途徑

3.1 開關(guān)電源技術(shù)

高頻變壓器是開關(guān)電源中的關(guān)鍵部分，其性能優(yōu)劣影響電源本身的效率，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱或損壞。電子束焊高壓直流電源采用納米晶軟磁合金材料來制作高頻變壓器的鐵芯，這種材料具有極高的飽和磁通密度，能夠有效地減少設(shè)備的體積和重量，同時(shí)提高供電性能。

3.2 高壓變壓器的設(shè)計(jì)

開關(guān)電源的高壓變壓器磁芯通常是低磁場下的軟磁材料，它擁有高磁導(dǎo)率和低矯頑力，以及高電阻率的特點(diǎn)。因?yàn)榇艑?dǎo)率高，在一定的線圈匝數(shù)時(shí)，只要線圈上通過不大的激磁電流就能承受住較高的外加電壓，所以，可以根據(jù)輸出功率的要求下減少磁芯的體積。磁芯因?yàn)槌C頑力低，所以磁滯面積小，造成的鐵耗也少。磁芯材料電阻率高，產(chǎn)生的渦流就小，同時(shí)鐵耗也小。采用這樣材料繞制成的高壓變壓器，將高壓變壓器次級(jí)的高壓線包設(shè)計(jì)成分兩段，減小漏感，降低溫升。

3.3 直流穩(wěn)壓精度

基準(zhǔn)的精度和反饋信號(hào)的準(zhǔn)確度對于穩(wěn)壓電路至關(guān)重要，電子束焊高壓直流電源基準(zhǔn)采用了DSP產(chǎn)生的16位DAC高精度基準(zhǔn)，高壓反饋信號(hào)用精密的分壓器，由高壓輸出端直接采樣，保證高壓反饋信號(hào)的精度，精確的基準(zhǔn)源和優(yōu)質(zhì)的誤差比較器保證了直流高壓的可靠性和穩(wěn)定性。

3.4 高壓打火保護(hù)電路

高壓打火保護(hù)電路具有過壓、過流、過熱保護(hù)的功能，當(dāng)電源發(fā)生過壓、過流、過熱故障時(shí)，報(bào)出相應(yīng)的故障信號(hào)（故障信號(hào)由繼電器輸出，由PLC的輸入點(diǎn)檢測），并自行切斷高壓。過流保護(hù)，當(dāng)輸出電流大于電源的最大輸出電流的120%時(shí)切斷高壓。高壓部分和低壓全部靠光纖隔離傳輸，減少其干擾。打火電路不斷高壓，具有高壓打火的抵抗能力，可打火不壞。保護(hù)電路能在電子槍打火的同時(shí)，高速關(guān)斷電源，并且能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)高壓，重啟時(shí)間優(yōu)于50ms，以此來保障焊接過程的順利工作，高壓放電的保護(hù)性能良好。

針對干擾信號(hào)導(dǎo)致控制電路的誤動(dòng)作，電源保護(hù)電路設(shè)計(jì)時(shí)增加了抗干擾電路，對高壓測量及電子束流的測量和取樣進(jìn)行了隔離，采用了光纖隔離傳輸技術(shù)。

3.5 電磁兼容

開關(guān)電源的功率轉(zhuǎn)換及變壓器本身的開關(guān)噪聲都會(huì)產(chǎn)生共模和差模干擾信號(hào)，對電源本身及周圍電子設(shè)備的正常工作造成威脅，電子束焊高壓直流電源采取了以下有效措施來消除或減少其干擾的程度：

（1）加裝電網(wǎng)濾波器以抑制傳導(dǎo)干擾，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)輸入回路中差模噪聲的衰減。

（2）在設(shè)備中加入各種屏蔽措施，抑制輻射干擾。

（3）在電路中適合的部位加入RC吸收回路，吸收開關(guān)尖峰。

（4）設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，利用軟開關(guān)技術(shù)，切實(shí)保證電路開關(guān)器件的零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷，以減小過高的電流電壓遞度所帶來的嚴(yán)重干擾。

（5）印制板電路按照標(biāo)準(zhǔn)合理設(shè)計(jì)布局各種元器件，避免相互干擾。

4 結(jié)語

電子束焊機(jī)用高壓電源具有電源穩(wěn)定度高、紋波小、負(fù)載調(diào)整能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，生成的高能量密度的電子束能更好的實(shí)現(xiàn)無氧銅包套的焊接工作，達(dá)到焊接焊縫寬2mm，深度大于7mm的要求，同時(shí)極大的縮短了超導(dǎo)線銅包套端蓋的焊接時(shí)間。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)及與電子束焊機(jī)的配套運(yùn)行，該電源能較好的滿足超導(dǎo)線材電子束焊接的要求。