偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)在真空電子束焊設(shè)備上的應(yīng)用與研究

張麓娟

摘? 要：本文主要介紹了真空電子束焊接設(shè)備上偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理，以及偏轉(zhuǎn)功能在實(shí)際生產(chǎn)中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：偏轉(zhuǎn)系統(tǒng);電子束焊接

0? 引言

電子束加工是利用電子束的熱效應(yīng)，對(duì)材料進(jìn)行表面熱處理、焊接、打孔、熔煉、鍍膜、物理氣相沉積等加工。電子束加工的特點(diǎn)是功率密度大，能在瞬間將能量傳遞給工件，而且電子束的能量和位置可以用電磁場(chǎng)精確和迅速的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。因此，電子束加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造加工的許多領(lǐng)域，是一種重要的加工方法。

偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由偏轉(zhuǎn)線圈和偏轉(zhuǎn)控制單元組成，是真空電子束焊接設(shè)備上的重要組成部分。由于電子束幾乎沒有質(zhì)量和慣性，可以實(shí)現(xiàn)非接觸的偏轉(zhuǎn)，可以通過改變偏轉(zhuǎn)線圈電流大小、方向，使磁場(chǎng)力發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)電子束的偏轉(zhuǎn)掃描。

1? 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的組成及工作原理

真空電子束焊接設(shè)備電子槍內(nèi)部有兩個(gè)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。一個(gè)是位于束源段內(nèi)的合軸系統(tǒng)，另一個(gè)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)位于聚焦線圈的下方。合軸系統(tǒng)是用于調(diào)整柵極到聚焦線圈中心軸電子束的偏移。特別是直熱式陰極加熱會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)會(huì)輕微的使發(fā)射的電子束偏移，需要通過合軸系統(tǒng)進(jìn)行校正。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以用于電子束調(diào)整和特殊焊接處理，比如使用靜態(tài)偏轉(zhuǎn)功能可將電子束偏離軸線方向一定角度，實(shí)現(xiàn)特殊角度焊縫的焊接。使用動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)電子束多種函數(shù)波形掃描，根據(jù)函數(shù)發(fā)生器生成的波形電子束被掃描成圓、橢圓、半圓等多種圖形。

偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的4個(gè)線圈分別被繞在一個(gè)鐵環(huán)上，相對(duì)的兩個(gè)線圈組成一組。電流流過線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)電子束穿過偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)磁場(chǎng)時(shí)，在磁場(chǎng)力的作用下偏轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，因此可以通過改變線圈電流大小、方向來(lái)改變電子束偏轉(zhuǎn)角度的大小和方向。

2? 電子束偏轉(zhuǎn)功能的應(yīng)用

2.1? 電子束偏轉(zhuǎn)在焊接上的應(yīng)用

電子束靜態(tài)偏轉(zhuǎn)主要應(yīng)用在特殊結(jié)構(gòu)的零件焊接中，當(dāng)電子束無(wú)法直接對(duì)準(zhǔn)焊縫，可通過靜態(tài)偏轉(zhuǎn)一定角度輕松實(shí)現(xiàn)焊接，同時(shí)應(yīng)用電子束靜態(tài)偏轉(zhuǎn)功能可有效簡(jiǎn)化工裝和焊接工序。

電子束動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)也稱為函數(shù)掃描，一般應(yīng)用比較多的是采用橢圓或圓函數(shù)掃描功能焊接厚大零件，當(dāng)電子束在動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可使熔池不斷攪拌，有利于焊接過程中氣體雜質(zhì)的排出，去除導(dǎo)致疏松的易揮發(fā)物質(zhì)，減少焊縫缺陷，極大提高了厚大零件的焊接質(zhì)量。

2.2? 電子束偏轉(zhuǎn)在其它方面的應(yīng)用

1、利用靜態(tài)偏轉(zhuǎn)減少電子槍污染

由于在焊接過程中會(huì)產(chǎn)生大量的金屬蒸汽，電子槍很容易被污染，進(jìn)而造成高壓放電等影響焊接質(zhì)量的事故。靜態(tài)偏轉(zhuǎn)功能可使電子束偏轉(zhuǎn)一定角度，讓焊縫偏離電子束通道中心，避免兩者垂直相對(duì)，這樣可有效減少金屬蒸汽直接竄入電子槍室內(nèi)，降低金屬蒸汽對(duì)電子槍室的污染，減少高壓放電。

2、? 利用動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)準(zhǔn)確聚焦

焦點(diǎn)位置是電子束焊接中影響焊縫的關(guān)鍵因素之一，不同的焦點(diǎn)位置決定了束流到達(dá)工件表面時(shí)的能量分布，直接影響到電子束的穿透力和焊縫寬度。電子束在工件表面聚焦的常規(guī)做法是：發(fā)射小束流到工件表面形成束斑，調(diào)整聚焦電流將束斑匯聚為一個(gè)最小最亮的圓點(diǎn)，聚焦?fàn)顟B(tài)調(diào)整的好壞與操作工個(gè)人因素有關(guān)。利用函數(shù)掃描功能可有效減少人為因素的影響，準(zhǔn)確、方便的找到電子束焦點(diǎn)。

3? 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)故障分析

3.1? 合軸問題

英國(guó)CVE真空電子束焊設(shè)備出現(xiàn)焊縫焊偏現(xiàn)象。起弧束流為9mA時(shí)，束斑能夠?qū)?zhǔn)焊縫，焊接正常，當(dāng)運(yùn)行至14mA束流段時(shí)，出現(xiàn)束斑偏離焊縫現(xiàn)象。

故障分析：更換陰極燈絲后，安裝位置會(huì)有一定變化，因此不能保證從束源段出來(lái)的電子束恰好通過聚焦線圈的中心。電子束偏離軸心，束斑截面的中心將從焦點(diǎn)位置移走，會(huì)出現(xiàn)使用較小的束流對(duì)準(zhǔn)的焊縫，當(dāng)增加焊接束流后，束斑將不對(duì)在焊縫上。因此，需要借助合軸系統(tǒng)將電子束與聚焦線圈中心調(diào)整為同軸。合軸良好的電子束產(chǎn)生的是一組同心圓，能夠保證束斑與焊縫的對(duì)準(zhǔn)。

3.2? 函數(shù)掃描故障

德國(guó)IGM真空電子束焊設(shè)備函數(shù)掃描功能失效。

故障分析：函數(shù)發(fā)生器接收CNC發(fā)出的指令輸出需要的掃描偏轉(zhuǎn)信號(hào)，偏轉(zhuǎn)信號(hào)經(jīng)M60信號(hào)放大單元進(jìn)行放大處理，最終驅(qū)動(dòng)偏轉(zhuǎn)線圈生成電磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)電子束掃描偏轉(zhuǎn)焊接。根據(jù)控制電路分析，函數(shù)掃描功能失效的原因有：（1）CNC故障，沒有發(fā)送偏轉(zhuǎn)信號(hào)到函數(shù)發(fā)生器;（2）函數(shù)信號(hào)發(fā)生器故障，沒有輸出信號(hào)到放大器單元;（3）信號(hào)放大器故障;（4）偏轉(zhuǎn)線圈故障。

本著由易到難的原則進(jìn)行檢查，首先測(cè)量偏轉(zhuǎn)線圈電阻及對(duì)地電阻，確定偏轉(zhuǎn)線圈正常;其次，執(zhí)行函數(shù)掃描程序，測(cè)量CNC及函數(shù)發(fā)生器均有偏轉(zhuǎn)信號(hào)輸出，而偏轉(zhuǎn)線圈上無(wú)電壓信號(hào)，可以判斷故障部位為信號(hào)放大單元。檢查發(fā)現(xiàn)信號(hào)放大電路板上1.6A，250V保險(xiǎn)燒斷，更換保險(xiǎn)，并對(duì)其他電氣元件進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)并在變壓器初級(jí)上的KT1800電容擊穿短路，更換電容后偏轉(zhuǎn)掃描控制電路運(yùn)行正常，函數(shù)掃描功能恢復(fù)。

4? 結(jié)束語(yǔ)

偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)是真空電子束焊接設(shè)備的重要組成部分，生產(chǎn)焊接時(shí)合理的應(yīng)用偏轉(zhuǎn)功能，不但可以減少電子槍污染，預(yù)防高壓放電，而且對(duì)提升零件的焊接質(zhì)量有重要意義。同時(shí)，本文對(duì)真空電子束焊接設(shè)備偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理以及故障問題的分析，希望對(duì)維修人員在維修偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)故障時(shí)能夠有所幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]IGM真空電子束焊技術(shù)資料

[2]王西昌，趙海燕.新技術(shù)新工藝[J]. 數(shù)字技術(shù)與機(jī)械加工工藝裝備，2008，10