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        淺析空間電子束焊槍電子光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        2016-05-30 10:48:04劉暢
        科技風(fēng) 2016年7期
        關(guān)鍵詞:焊槍設(shè)計(jì)

        摘 要:在當(dāng)前的社會(huì)當(dāng)中,焊接技術(shù)是一項(xiàng)十分重要的技術(shù),空間焊接是其中一個(gè)主要的分支。隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步,空間電子束焊槍在應(yīng)用當(dāng)中不斷得到優(yōu)化,特別是在電子光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用之下,其作用和性能也得到了進(jìn)一步的提升?;诖耍疚膶?duì)空間電子束焊槍電子光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,以期推動(dòng)該技術(shù)更高的發(fā)展與進(jìn)步。

        關(guān)鍵詞:空間電子束;焊槍?zhuān)浑娮庸鈱W(xué)系統(tǒng);設(shè)計(jì)

        隨著空間工業(yè)、宇宙科學(xué)研究、航天技術(shù)等領(lǐng)域的不斷發(fā)展,各個(gè)國(guó)家對(duì)于空間更大規(guī)模的利用都十分重視,因而紛紛開(kāi)展了在軌建造技術(shù)的開(kāi)發(fā)。而在未來(lái)的航天飛行器空間組裝和維修當(dāng)中,焊接是一個(gè)十分重要的過(guò)程,因此,應(yīng)當(dāng)針對(duì)空間環(huán)境發(fā)展適合的焊接技術(shù)。在空間焊接當(dāng)中,電子束焊接是一項(xiàng)較為理想的焊接技術(shù),特別是隨著電子光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用,使得這一領(lǐng)域得到了很大的提高。

        一、空間電子束焊槍電子光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

        在電子束焊槍的應(yīng)用當(dāng)中,陰極對(duì)電子進(jìn)行發(fā)射,在陰陽(yáng)極之間,通過(guò)加速電壓被加速,基于聚束極的作用,從陽(yáng)極孔成束穿過(guò)。然后在電荷的作用下發(fā)生發(fā)散,電子束由電透鏡向工件上進(jìn)行匯聚和撞擊,從而融化金屬,完成焊接工作。在電子槍的構(gòu)成結(jié)構(gòu)當(dāng)中,主要包括陽(yáng)極以外的透鏡區(qū),其像距為a,物距為b。另外還包括陰陽(yáng)極之間的靜電區(qū)。在設(shè)計(jì)當(dāng)中,主要是針對(duì)透鏡部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。在聚焦電子束的過(guò)程中,可以通過(guò)磁聚焦和靜電聚焦的方式完成。其中,由于磁聚焦裝置不適用于空間焊接,因此可采用靜電透鏡的方式,具有質(zhì)量輕、功耗低等優(yōu)勢(shì)。在采用的單透鏡聚焦當(dāng)中,單透鏡電子槍具有很多方面的優(yōu)點(diǎn),例如結(jié)構(gòu)可以封閉,能夠有效屏蔽雜散場(chǎng),可用低聚焦電壓,電壓穩(wěn)定性要求不高,會(huì)聚角小,因此束界面小,以及電流散焦小等。

        二、單透鏡聚焦的基本原理

        在單透鏡當(dāng)中,一般包含三個(gè)電極,其中,兩個(gè)外電極具有相同的電壓,因此,在透鏡兩邊是等位區(qū),而中間電極與外電極點(diǎn)位不同,應(yīng)用較多。在等位面和單透鏡電極中,通常具有左右對(duì)稱(chēng)的形狀。一般的單透鏡都包含三圓筒或三膜片,其中等徑三圓筒單透鏡結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,因而應(yīng)用較為廣泛。在靜電透鏡中心面左邊,具有正電場(chǎng),因而促使電子向軸匯聚,而中心面右邊,具有負(fù)電場(chǎng),促使電子離軸發(fā)散[ 1 ]。軸向電場(chǎng)在透鏡區(qū)當(dāng)中,具有相同的方向,因而電子會(huì)不斷提速。在匯聚區(qū)域,電子的飛行速度相對(duì)較低,因此時(shí)間較長(zhǎng),透鏡能夠發(fā)揮出會(huì)聚的作用。在單透鏡供電當(dāng)中能夠,接地兩邊電極,在中間電極則是負(fù)高壓,所以不對(duì)電子進(jìn)行截獲。電子槍采用該系統(tǒng),稱(chēng)為零電流電子槍。

        三、電子束束斑的物理構(gòu)成因素

        在空間電子束焊槍當(dāng)中,電子束束斑指的是電子槍對(duì)圓截面電子束進(jìn)行發(fā)射,穿過(guò)陽(yáng)極進(jìn)入單透鏡區(qū),電場(chǎng)在對(duì)其進(jìn)行聚焦之后,打到工件之上,該電子束通常具有最小圓截面。電子槍具有一定的發(fā)射功率,能夠?qū)﹄娮邮哌_(dá)到工件上的截面面積進(jìn)行控制,因而在單位面積中,能夠?qū)﹄娮邮芰窟M(jìn)行有效的提升,從而實(shí)現(xiàn)電子束焊接的效果[ 2 ]。在空間電子束焊槍的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中,有很多因素會(huì)對(duì)束斑的大小產(chǎn)生影響,主要包括靜電區(qū)電子熱初速度、漂移區(qū)空間電荷效應(yīng)、電透鏡球差、以及色差等。為了對(duì)打到工件的電子束斑半徑進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算,應(yīng)當(dāng)對(duì)這些因素進(jìn)行考慮,從而對(duì)最小半徑的電子束斑進(jìn)行獲取,在單位面積內(nèi),進(jìn)一步提高電子束的能量,從而取得更為理想的焊接效果。

        四、電子束焊槍參的數(shù)概算

        在空間電子束焊槍電子光學(xué)系統(tǒng)當(dāng)中,主要包含了透鏡、靜電等部分。需要結(jié)合透鏡的幾何參數(shù),以及對(duì)電子束斑產(chǎn)生影響的物理參數(shù),整體性的定量分析電子光學(xué)系統(tǒng),從而更好的設(shè)計(jì)槍體機(jī)構(gòu)和透鏡部分,為電子束焊槍的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。其中,電子槍加速電壓為10千伏、束流為100毫安、功率為1千瓦,需要對(duì)打到工件電子束斑的直徑、中間圓筒上負(fù)電壓、兩圓筒之間間隙、圓筒直徑、像距和物距等進(jìn)行計(jì)算[ 3 ]。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的計(jì)算,得出能夠滿足空間焊接實(shí)際要求的電參數(shù)、幾何尺寸、透鏡結(jié)構(gòu)等,同時(shí)通過(guò)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。在對(duì)影響電子束斑直徑的因素進(jìn)行考慮的基礎(chǔ)上,應(yīng)當(dāng)能夠結(jié)合底面應(yīng)用的磁場(chǎng)聚焦電子束焊槍的計(jì)算方法進(jìn)行參考和修正,然后利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算和驗(yàn)證,最終得出準(zhǔn)確、可靠的計(jì)算方法。以此對(duì)電子束斑直徑進(jìn)行計(jì)算,從而能夠與實(shí)際的電子束斑數(shù)值更加接近,計(jì)算誤差更小,因此能夠設(shè)計(jì)出更為良好的電子束焊槍。

        五、編程結(jié)果分析和參數(shù)選擇

        在對(duì)物理因素進(jìn)行分析之后,對(duì)編程進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。其中,給定的電子槍加速電壓為10千伏,束流為100毫安,功率為1千瓦,圓筒直徑為10毫米。在計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算當(dāng)中,需要對(duì)中間圓筒負(fù)電壓、兩圓筒之間間隙、中間圓筒長(zhǎng)度、像距、物距等參數(shù)進(jìn)行應(yīng)用。根據(jù)這些因素的影響,電子束斑的直徑也與之相關(guān)。通過(guò)計(jì)算得出像距為50毫米,物距也為50毫米,放大率為1。在編程結(jié)果當(dāng)中,加速電壓為10千伏,束流為100毫安,圓筒直徑為10毫米,S/D的數(shù)值為0.4、0.5、0.6、0.8、1.0[ 4 ]。在0.04到0.05的弧度之間,能夠得到較小的束斑半徑的值,因此,進(jìn)行透鏡部分計(jì)算,在0.04到0.05之間選擇參數(shù)。利用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算獲取透鏡的集合參數(shù),在工件上得到相應(yīng)的電子束軌跡圖。在工件上,電子束的軌跡為先發(fā)散、然后在經(jīng)典透鏡聚焦的作用下,電子束的半徑被壓縮,因此,最終有0.68毫米半徑的電子束斑達(dá)到工件上。

        六、結(jié)論

        隨著空間技術(shù)的發(fā)展,空間電子束焊槍正在得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。而在其實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中,由于空間環(huán)境的特殊性等限制,應(yīng)當(dāng)采用電子光學(xué)系統(tǒng)對(duì)其工作進(jìn)行輔助,結(jié)合電子束斑的影響因素,對(duì)空間電子束焊槍電子光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究和分析,從而進(jìn)一步提升電子束焊槍的應(yīng)用效果。

        參考文獻(xiàn):

        [1] 公慧,周立偉,倪國(guó)強(qiáng),張智詮,艾克聰.成像電子光學(xué)系統(tǒng)空間和時(shí)間像差的均方根半徑(RMS)研究[J].光學(xué)技術(shù),2011,04:507-512.

        [2] 馬正斌,劉金合,盧施宇,王世清.電子束焊接技術(shù)研究及進(jìn)展[J].電焊機(jī),2012,04:93-96.

        [3] 張航,孫通伯,于明玄.GH99鎳基合金薄板電子束焊接頭疲勞性能研究[J].工程與試驗(yàn),2014,04:26-35+55.

        [4] 齊鉑金,范霽康,劉方軍.脈沖束流電子束焊接技術(shù)綜述[J].航空制造技術(shù),2015,11:26-30.

        作者簡(jiǎn)介:劉暢(1992-),男,湖北黃梅縣人,專(zhuān)業(yè):物電學(xué)院光信息科學(xué)與技術(shù)。

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