真空電子束焊高壓系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

肖巍

（中國(guó)航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，黑龍江 哈爾濱150000）

1 真空電子束焊工作原理

真空電子束焊是一種高能量密度的溶化焊接方法，它是利用空間定向高速運(yùn)動(dòng)的電子束，撞擊工件后將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使被焊接工件溶化，形成焊縫。真空的作用是使電子束能夠聚焦在一個(gè)非常小的點(diǎn)，在加工鈦、鋅或鈮等活性金屬時(shí),當(dāng)真空度到達(dá)5×10-4mbar 時(shí),就可以達(dá)到最佳的冶金狀態(tài)。從成本的角度上看, 真空狀態(tài)工作要比在惰性氣體氣氛狀態(tài)工作更為經(jīng)濟(jì)。同時(shí),電子束在工作時(shí),并不釋放有害物質(zhì)。

真空電子束焊以其能量集中、熱傳遞范圍小、精確定位以及效率高等優(yōu)勢(shì)，在精密焊接和敏感器件焊接等方面得到廣泛應(yīng)用，真空電子束焊的電子束流形成是電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)流抑制電路進(jìn)入高壓升壓整流變壓器的一次，二次升壓到100kV 左右，此交流高壓再經(jīng)12 相整流濾波獲得160kV 左右的直流高壓，加到高壓真空電子管和電子槍上，其中高壓電子管在工作時(shí)承受的電壓為40kV，這樣加在電子槍上的高壓為120kV。高壓真空電子管是用來(lái)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定高壓輸出的。由于高壓電源需連續(xù)工作，為確保工作時(shí)的熱量能及時(shí)散出，油箱內(nèi)部還設(shè)計(jì)了水冷卻系統(tǒng)。調(diào)整管的輔助電源很多，考慮到散熱和布局需要也放在油箱內(nèi)，調(diào)整管的調(diào)節(jié)原理是其陰極由于加熱而發(fā)射電子，電子在陽(yáng)極高壓的加速下，分別到達(dá)第二陽(yáng)極和陽(yáng)極，如果第二陽(yáng)極的電壓很高，受加速的電子就會(huì)全部到達(dá)第二陽(yáng)極，此時(shí)電子管處于高阻狀態(tài)，電源上的電壓全加在調(diào)整管上，只要調(diào)節(jié)第二陽(yáng)極電壓的大小，調(diào)整管上的電壓也得以調(diào)節(jié)，這樣加在電子槍上的高壓也得以調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓輸出的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

2 真空電子束焊高壓系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因分析

根據(jù)機(jī)床原理及組成，真空電子束焊高壓系統(tǒng)不穩(wěn)定的常見(jiàn)原因有以下幾點(diǎn)：

2.1 真空電子束焊高壓控制析上的元器件性能下降，產(chǎn)生高壓控制不穩(wěn)定。一般表現(xiàn)為實(shí)際電流無(wú)法達(dá)到給定值，或電流不能持續(xù)穩(wěn)定，在焊縫處容易造成間斷。

2.2 機(jī)床高壓電纜接頭接觸不良。高壓連接電纜對(duì)接觸配合面要求比較高，電纜絕緣部分需要定期填涂絕緣硅質(zhì)。當(dāng)高壓電纜接觸不良或長(zhǎng)期未進(jìn)行保養(yǎng)時(shí)，就容易產(chǎn)生接觸點(diǎn)放電的現(xiàn)象，由于本身導(dǎo)通電壓較高，每次放電產(chǎn)生的熱量都將導(dǎo)致電纜絕緣部分破損，影響電纜的電阻值，長(zhǎng)期如此不僅會(huì)造成電纜損壞，間斷性電流沖擊還將對(duì)電子槍產(chǎn)生影響。

2.3 真空電子束焊高壓油箱絕緣失效。高壓絕緣油需要定期進(jìn)行過(guò)濾，并檢測(cè)絕緣值指標(biāo)，如果絕緣性能失效，初期能夠聽(tīng)到高壓油箱內(nèi)有電流擊穿的響聲，逐漸惡化后會(huì)在高電壓自檢時(shí)出現(xiàn)異常停機(jī)。

2.4 電子槍的束源段有損壞或有污染。電子槍束流系統(tǒng)位于電子槍上段內(nèi)部，包括陰極系統(tǒng)（含燈絲座）和電極系統(tǒng)（由偏壓杯和陽(yáng)極）。這種情況在實(shí)際焊接時(shí)才能夠發(fā)現(xiàn)，一般表現(xiàn)為電子束關(guān)閉后，仍會(huì)持續(xù)發(fā)生放電現(xiàn)象，或者在準(zhǔn)備焊接階段，電子槍在接近工件時(shí)，電子槍出現(xiàn)不受控放電的現(xiàn)象。

3 真空電子束焊高壓系統(tǒng)穩(wěn)定性的調(diào)整

為了獲得穩(wěn)定的真空電子束焊高壓系統(tǒng)，機(jī)床的定期保養(yǎng)要細(xì)致認(rèn)真，在出現(xiàn)不穩(wěn)定因素后，對(duì)相關(guān)的部位進(jìn)行檢查、調(diào)整：

3.1 電子槍陰極的檢查清潔。使用專用工具取出燈絲座，降溫之后把燈絲取出，使用銅刷清理鎖緊夾，檢查其有無(wú)磨損和損壞，檢測(cè)燈絲座兩極之間絕緣度，其電阻應(yīng)味無(wú)窮大。檢查燈絲夾表面平滑度，在燈絲鎖緊面和燈絲座兩級(jí)之間的縫隙中不允許有任何破損燈絲的殘留物。清除整個(gè)燈絲座上的金屬蒸汽和其他殘留物，檢查電子槍上蓋及凹槽中的密封圈有無(wú)污染和破損，清理密封圈上的污物、油脂。注意打開(kāi)電子槍上蓋之后必須使用接地棒釋放殘余電荷。如果高壓放電趨勢(shì)加強(qiáng)，通常需要更換燈絲。

3.2 偏壓杯的檢查清理。使用專用工具拆卸陶瓷墊與陰極筒相連的偏壓杯，徹底的清潔所有零件，磨掉所有因放電產(chǎn)生的可見(jiàn)斑痕，清除所有的沉積物和殘?jiān)?/p>

3.3 陽(yáng)極的檢查清理。使用專用工具把陽(yáng)極取出，放到干凈平臺(tái)上，清理所用蒸汽沉積和污物，特別是陽(yáng)極頂端及孔的內(nèi)外側(cè)，清理陽(yáng)極頂端表面周邊的粗糙處及放電產(chǎn)生的瘢痕。

3.4 絕緣子的清潔。取出絕緣子的時(shí)候注意不要損壞內(nèi)部的電纜接頭，取下密封圈檢查，確保密封面無(wú)任何損壞，清理絕緣樹(shù)脂上的放電痕跡，使用溶劑清理密封面。更換新絕緣子后特別重要的是加熱電流必須設(shè)置到合適大小。

3.5 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和聚焦線圈的清理和檢查。檢查真空室內(nèi)到內(nèi)部線圈的電纜、接頭、有無(wú)明顯磨損，去除表面金屬蒸汽積層，用溶劑擦洗干凈。

3.6 更換高壓油箱上的空氣干燥劑，由于吸收的水分不斷增加，干燥劑的顏色越來(lái)越明亮。

3.7 高壓電纜接頭的清理和檢查。檢查高壓電纜彈簧接頭有無(wú)磨損和損壞，檢查電纜兩端彈簧街頭和密封面，重新安裝之前使用密封脂在電纜的密封面和密封膠圈上填涂薄層。

3.8 高壓、束流、聚焦電流的調(diào)整。以SST 公司的設(shè)備為例，調(diào)整電腦析上的IL 螺絲釘。機(jī)床控制析上的信號(hào)1.IB ;2.IL ;3.HV ;8.DCX ; 9DCY ;F1.X ;F2.Y ;F3.A。真空電子束（UB 調(diào)小后，IL 也變?。?，電子槍真空度1.4×10-6mbar，低真空時(shí)擴(kuò)散泵4×10-2mbar，高真空時(shí)室內(nèi)為2×10-2mbar 轉(zhuǎn)化為擴(kuò)散泵閥與室內(nèi)相連，真空度會(huì)掉到1×10-1mbar，隨后在室內(nèi)真空達(dá)到1.7×10-4mbar 后泵真空度為2.0×10-2mbar。

120KV: Umon 7.96V，UB 119.8KV, IL 2066mA

130KV: Umon 8.62V，UB 129.8KV, IL 2387mA

140KV: Umon 9.27V，UB 139.5KV, IL 2232mA

150KV: Umon 9.95V，UB 149.5KV, IL 2350mA

在進(jìn)行各項(xiàng)檢查和調(diào)整工作時(shí)，需要注意各項(xiàng)清潔工作應(yīng)該在一個(gè)干凈的平臺(tái)上進(jìn)行，清理后的零件需佩戴手套隔離接觸。在接觸或拆裝電子槍內(nèi)部的任意部件之前，必須使用接地棒觸碰陰極系統(tǒng)、導(dǎo)電彈簧、導(dǎo)線等，以釋放殘余電荷。在每次電子槍上蓋打開(kāi)后，必須清理維護(hù)上蓋密封圈以及檢測(cè)上蓋的平行度和位置標(biāo)記。更換燈絲后電子槍高壓應(yīng)設(shè)置到最小值并運(yùn)行一小時(shí)以上，此后兩小時(shí)內(nèi)逐漸的增加高壓，每次最大增加5 千伏。

4 真空電子束焊高壓系統(tǒng)穩(wěn)定性的檢測(cè)

檢測(cè)電子槍電壓在150KV 時(shí)電壓的穩(wěn)定性：用萬(wàn)用表測(cè)量CRE31/37 高壓控制析U-mon 與0V 之間的電壓，數(shù)值變動(dòng)應(yīng)小于等于≤±0.5%。真空電子束焊高壓系統(tǒng)在此波動(dòng)范圍為穩(wěn)定，否則需要分析不穩(wěn)定的原因，進(jìn)行改進(jìn)。通常檢查周期為每周一次，設(shè)備使用較為頻繁可適當(dāng)縮短周期，如果設(shè)備停機(jī)時(shí)間超過(guò)5 天，建議在首次焊接前，進(jìn)行一次測(cè)試。穩(wěn)定的高壓系統(tǒng)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間保持±0.1%以內(nèi)的波動(dòng)。

5 結(jié)論

真空電子束焊作為高精度的焊接技術(shù)，其運(yùn)用的高壓系統(tǒng)和電子槍部分都是專業(yè)性較強(qiáng)的技術(shù)領(lǐng)域，在實(shí)際應(yīng)用中關(guān)注設(shè)備的各部件運(yùn)行狀態(tài)，能夠有效延長(zhǎng)核心部件的使用壽命。通過(guò)對(duì)真空電子束焊高壓系統(tǒng)相關(guān)部件的檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，以保養(yǎng)和調(diào)整的方式，獲得持續(xù)穩(wěn)定的工作狀態(tài)。