1、第二節(jié) 電子束焊設(shè)備,電子束焊機(jī)分類,真空狀態(tài),加速電壓,真空型,局部真空型,非真空型,高壓型（60150kV）,低壓型（40kV）,中壓型（4060kV）,實際應(yīng)用中以真空電子束焊機(jī)居多.,各種電子束焊機(jī)的類型、特點和適用范圍,一、電子束焊機(jī)的組成,真空電子束焊機(jī)組成,工作室（真空室）,電氣控制系統(tǒng),電子槍,高壓電源,真空系統(tǒng),工作臺,輔助裝置,(一）電子槍,電子槍組成,陽極,聚焦線圈,陰極,柵級（偏壓電極）,電子束焊機(jī)中用以產(chǎn)生電子并使之匯聚成電子束的裝置稱為電子槍。它是電子束焊接設(shè)備的核心部件。,1.電子槍的作用及結(jié)構(gòu)組成,二極槍,三極槍,電子槍有4個主要作用： 1.從陰極發(fā)射電子； 2

2、.使電子在陰極到陽極間得到加速，并形成束流； 3.用磁聚焦線圈將電子束聚焦； 4.用偏轉(zhuǎn)線圈使束流產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。,偏壓電極,聚焦線圈,陰極,陽極,陰極處于高的負(fù)電位，它與接地的陽極之間形成電子束的加速電場。,偏壓電極（又稱柵極）相對于陰極呈負(fù)電位，通過調(diào)節(jié)其負(fù)電位的大小、改變偏壓電極形狀及位置可以調(diào)節(jié)電子束流的大小和改變電子束的形狀。,又稱電磁透鏡，其作用是將電子束流聚焦到工件的焊縫上，這樣既增加了電子束焊接的工作距離，而且又易于對其控制和調(diào)節(jié)。,偏轉(zhuǎn)線圈,使電子束的束斑對準(zhǔn)被焊工件的接縫或在焊縫區(qū)作有規(guī)律的周期性運(yùn)動。偏轉(zhuǎn)方向和偏轉(zhuǎn)量可通過改變偏轉(zhuǎn)線圈中的電流方向及大小來調(diào)節(jié)。,三極電子槍的結(jié)構(gòu)

3、及各部分作用,2.電子槍中的陰極,陰極材料：采用熱電子發(fā)射能力強(qiáng)而且不易“中毒”的材料，常用鎢、鉭、 六硼化鑭（LaB6)等。,六硼化鑭,釷鎢,在較低的工作溫度下具有很強(qiáng)的發(fā)射電子的能力，常用作大功率電子槍的間接加熱式陰極。這種陰極在工作過程中遭受離子的轟擊，會改變其形狀和成分，使發(fā)射電子的能力隨著陰極使用的時間有所變化。,熱電子發(fā)射能力強(qiáng)，但在長期工作中，正離子的轟擊也會使表面成分發(fā)生變化，影響其發(fā)射電子的穩(wěn)定性。,鎢或鉭,制成直熱式陰極結(jié)構(gòu)簡單，但要防止陰極的熱變形和補(bǔ)償加熱電流的磁場對電子束的偏轉(zhuǎn)作用。,3電子槍的穩(wěn)定性、重復(fù)性 電子槍的穩(wěn)定性、重復(fù)性直接影響焊接質(zhì)量。影響電子槍穩(wěn)定性的

4、主要原因是高壓放電，特別是大功率電子槍（30kw）在焊接過程中產(chǎn)生的放電現(xiàn)象，易造成高壓擊穿.為了解決高壓放電現(xiàn)象，可設(shè)置兩個聚焦線圈并在電子束通道上設(shè)置小直徑光闌，以減少金屬蒸氣和離子對電子槍工作穩(wěn)定性的影響。同時，雙聚焦還增加了調(diào)節(jié)電子束形狀的可能性。 電子槍的重復(fù)性取決于電子槍的設(shè)計精度、制造精度以及控制技術(shù)等。 4電子槍的安裝 電子槍通常安裝在真空室外部。垂直焊時，位于真空室頂部；水平焊時，位于真空室側(cè)面，根據(jù)需要可使電子槍沿真空室壁在一定范圍內(nèi)移動。有時電子槍安裝在真空室內(nèi)可移動的傳動機(jī)構(gòu)上，被稱為動槍。,（二）高壓電源及控制系統(tǒng),1.高壓電源 作用：為電子槍提供加速電壓、控制電壓和

5、燈絲加熱電流。,電源應(yīng)密封在油箱體內(nèi)，以防止傷害人體及干擾設(shè)備的其他控制部分。純凈的變壓器油既可作 為絕緣介質(zhì)，又可作為傳熱介質(zhì)，將熱量從電器元件傳送到箱體外壁。電器元件都裝在框架上，該框架又固定在油箱的蓋板上，以便維修和調(diào)試。,近年來，半導(dǎo)體高頻大功率開關(guān)電源已應(yīng)用到電子束焊機(jī)中，工作頻率大幅度提高，用很小的濾波電容器，即可獲得很小的紋波系數(shù)；放電時所釋放出來的電能很少，減少了其危害性。另外，開關(guān)電源通斷時間比接觸器短得多，與高靈敏度微放電傳感器聯(lián)用，為抑制放電現(xiàn)象提供了有力手段。 該類電源體積小，質(zhì)量輕，如15kw高壓油箱，外形尺寸為l100mm x500mm x 100mm，質(zhì)量僅 60

6、0kg。,2.控制系統(tǒng),早期電子束焊機(jī)的控制系統(tǒng)僅限于控制電子束流的遞減、電子束流的掃描及真空泵閥的開關(guān)。目前可編程控制器及計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)等已在電子束焊機(jī)上得到應(yīng)用，使控制范圍和精度大大提高。計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)除了控制焊機(jī)的真空系統(tǒng)和焊接程序外，還可實時控制電子參數(shù)、工作臺的運(yùn)動軌跡和速度，實現(xiàn)電子束掃描和焊縫自動跟蹤。,1.真空系統(tǒng) 作用：對電子槍和真空室抽真空。,（三）真空系統(tǒng)及真空室,低真空泵,油擴(kuò)散泵,也稱為活塞式或葉片式機(jī)械泵，能夠?qū)㈦娮訕尯凸ぷ魇覐拇髿鈮撼榈?0Pa左右。,油擴(kuò)散泵不能直接在大氣壓下啟動，必須與低真空泵配合組成高真空抽氣機(jī)組。用于將電子槍和工作室壓強(qiáng)降到10-2Pa以下

7、,渦輪分子泵,它是抽速極高的高真空泵，工作室真空度可達(dá)10-110-3Pa。,較低的真空度可用機(jī)械泵獲得，高真空則采用機(jī)械泵及擴(kuò)散泵系統(tǒng)。渦輪分子泵無油蒸氣污染，不需要預(yù)熱，節(jié)省抽真空時間，適用于電子槍的真空系統(tǒng)。 2.真空室 對真空室的要求：,良好的氣密性,足夠的剛度、強(qiáng)度指標(biāo)（能承受大氣壓）,能防護(hù)X射線。,真空室可用低碳鋼板制成，以屏蔽外部磁場對電子束運(yùn)動軌跡的干擾。工作室內(nèi)表面應(yīng)鍍鎳或進(jìn)行其他的表面處理，以減少表面吸附氣體、飛濺及油污等，縮短抽真空時間和便于真空室清潔的工作。真空室通常開一個或幾個窗口用以觀察內(nèi)部焊件及焊接情況。 低壓型電子束焊機(jī)（加速電壓40kV）可以靠工作室鋼板的厚

8、度和合理設(shè)計工作室結(jié)構(gòu)來防止X射線的泄漏。中、高壓型電子束焊機(jī)（加速電壓60kV）的電子槍和工作室必須設(shè)置嚴(yán)密的鉛板防護(hù)層，鉛板防護(hù)層應(yīng)粘接在真空室的外壁上，在外壁形狀復(fù)雜的情況下，允許在工作室內(nèi)壁粘接鉛板。在電子槍內(nèi)電位梯度大的靜電透鏡區(qū)內(nèi)，不允許在其內(nèi)壁粘接鉛板。 真空室的尺寸和形狀應(yīng)根據(jù)焊機(jī)用途和零件尺寸而定。通用型電子束焊機(jī)的真空室容積大，專用型電子束焊機(jī)是根據(jù)被焊工件來設(shè)計工作室的，特別是對生產(chǎn)率高的焊機(jī)，為了減少抽真空時間，應(yīng)盡量減小真空室容積。由于電子束焊接適用范圍很廣，所以電子束焊機(jī)真空室的結(jié)構(gòu)多種多樣，其尺寸也大小不一。 為了避免出現(xiàn)X射線的泄漏、真空室的變形等問題，電子束焊

9、機(jī)的使用者不得隨意改裝真空室。,（四）焊接工作臺及工裝夾具,工作臺、旋轉(zhuǎn)臺和焊接夾具的作用：保持電子束與焊縫的位置、焊接 速度穩(wěn)定、焊縫位置的重復(fù)精度。,多數(shù)電子束焊接機(jī)采用固定電子槍，讓工件作直線移動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來實現(xiàn)焊接。對大型真空室，也可采用使工件不動，而驅(qū)使電子槍運(yùn)動進(jìn)行焊接。為了提高電子束焊的生產(chǎn)效率，可采用雙工作臺或多工位夾具。采用雙工作臺時，一個工作臺在真空室內(nèi)進(jìn)行焊接，另一個工作臺在室外裝卸工件。這種工作臺的優(yōu)點是裝配、焊接可同時進(jìn)行，真空室體積小，抽一次真空可以焊接多個零件，生產(chǎn)率高。對大中型焊機(jī)，為裝卸工件方便，工作臺大多可移出真空室外。工作臺的控制有手動和自動兩種，現(xiàn)代焊機(jī)

10、的工作臺多采用數(shù)控式控制，從而實現(xiàn)復(fù)雜焊縫，甚至空間焊縫的焊接。,（五)電氣控制系統(tǒng),作用：主要完成電子槍供電、真空系統(tǒng)閥門的程序啟閉、傳動系統(tǒng)的恒速運(yùn)動、焊接參數(shù)的閉環(huán)控制以及焊接過程的程序控制等功能。,為了便于觀察電子束與接縫的相對位置、電子束焦點狀態(tài)、工件移動和焊接過程，需在電子槍和工作室內(nèi)裝置光學(xué)觀察設(shè)施、工業(yè)電視和觀察窗口等。觀察窗口通常由三重玻璃組成。為了保護(hù)焊接時免受金屬蒸氣的污染，里層為普通玻璃，中層的鉛玻璃起防護(hù)X射線的作用，外層的鋼化玻璃是承受真空室內(nèi)外壓力差的。采用工業(yè)電視可以使操作者連續(xù)觀察焊接過程，防止強(qiáng)光刺激肉眼。,電子束焊機(jī)電氣控制系統(tǒng),選用電子束焊設(shè)備時，應(yīng)綜合

11、考慮被焊材料、板厚、形狀、產(chǎn)品批量等因素。一般來說，焊接化學(xué)性質(zhì)活潑的金屬（如 W、Ta、Mo、Nb、Ti等）及其合金應(yīng)選用高真空焊機(jī)；焊接易蒸發(fā)的金屬及其合金應(yīng)選用低真空焊機(jī)；焊接厚大工件應(yīng)選用高壓型焊機(jī)，中等厚度工件選用中壓型焊機(jī)；成批生產(chǎn)時選用專用焊機(jī)，品種多、批量小或單件生產(chǎn)則選用通用型焊接設(shè)備。,二、電子束焊機(jī)的選用,（Nb-鈮、 Ta-鉭）,目前在工業(yè)部門和實驗室中應(yīng)用的電子束焊機(jī)主要有以下幾種類型。,大型真空電子束焊機(jī),局部真空電子束焊機(jī),該類焊機(jī)的真空容積從幾十立方米到幾百立方米。日本的MHI公司和Hitachi公司分別有一臺280m3和110m3的大型真空電子束焊機(jī)，烏克蘭巴

12、頓電焊研究所有一臺450m3的YN193型真空電子束焊機(jī)，法國的 Techmeta公司則建造了一臺 800m3的大型真空電子束焊機(jī)。,該類焊機(jī)節(jié)省抽真空時間，適合大型構(gòu)件、連續(xù)產(chǎn)品的焊接。烏克蘭巴頓焊接研究所已生產(chǎn)了多臺這類電子束焊機(jī)。,通用型電子束焊機(jī),該類焊機(jī)主要應(yīng)用于實驗室及一些加工車間。它可以通過多種工裝夾具及運(yùn)動工作臺的配合，完成不同類型零件的焊接，也可以進(jìn)行電子束焊接工藝試驗研究。,批量生產(chǎn)用電子束焊機(jī),小型真空電子束焊機(jī)主要用于批量生產(chǎn)汽車零部件。近年柔性制造系統(tǒng)的引人，使小型電子束焊機(jī)更加靈活，不僅適合一種產(chǎn)品的大量生產(chǎn)，而且能滿足多個品種產(chǎn)品批量生產(chǎn)的需求。,世界上電子束焊機(jī)生產(chǎn)商主要有英國劍橋真空工程公司（CVE）、 法國的泰克米特電子束焊公司、德國的波賓電子束焊技術(shù)有限公司以 及烏克蘭的巴頓焊接研究所等。我國真空電子束焊機(jī)的研制自20世 紀(jì)80年代以來取得了較大進(jìn)展，國內(nèi)主要專業(yè)生產(chǎn)廠家有上海電焊 機(jī)廠、成都電焊機(jī)研究所、沈陽電焊機(jī)廠及桂林獅達(dá)、中科電氣等， 目前中等功率的真空電子束焊機(jī)已形成了系列，50kV、60kV的焊機(jī) 已在實際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，一些焊接設(shè)備采用了微機(jī)控制等先進(jìn) 技術(shù)。圖110為國產(chǎn)EZ一60110