羅靜，倪士勇

（張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院，湖南張家界427000）

制造工藝

增加柵偏電壓前后電子束焊機束斑直徑變化的實驗研究

羅靜，倪士勇

（張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院，湖南張家界427000）

在某些電子束焊機中，可以通過調(diào)節(jié)柵偏電壓的大小來控制電子束束斑的直徑。在加柵偏電壓和不加柵偏電壓的兩種情況下，進行下束實驗，驗證柵偏電壓對電子束束斑形狀和尺寸的影響。

電子束焊機；柵偏電壓；束斑直徑；實驗

電子束焊接技術是用極致密的電子束流轟擊被焊金屬的接縫，加熱并熔化金屬，形成焊縫實現(xiàn)焊接的一種加工方法［1］。電子束焊接具有焊接能量密度高、焊縫熱影響區(qū)窄、工件變形小、深寬比大、焊接效率高等優(yōu)點，在航空、航天、汽車等制造領域得到了廣泛地應用。我國自行研制電子束焊機開始于上世紀60年代，經(jīng)過幾十年的努力，水平有了很大的提高，但是和國際同類產(chǎn)品相比，在核心技術上，仍存在一定的差距［2］。制約我國電子束加工設備發(fā)展的主要技術瓶頸是其中的電子束發(fā)生器技術，也就是俗稱電子槍技術。

電子槍是發(fā)射、形成和會聚電子束的裝置，通常由陰極、聚束極和陽極組成。電子槍工作時，陰極上加負高壓，會連續(xù)發(fā)射出電子，陽極接地，電子通過聚束極和陽極之間的電場，得到聚集并加速到很高速度，形成電子束流。某些類型的電子槍其聚束極以控制柵極代替，柵極與陰極間加一負偏壓，使陰極工作狀態(tài)處于空間電荷限制發(fā)射狀態(tài)之下，整個電子束截面內(nèi)電流密度比較均勻，通過改變柵極負偏壓來調(diào)節(jié)束流，即調(diào)節(jié)電子束束斑的直徑大小。本實驗就是在有柵偏電壓和無柵偏電壓兩種情況下，通過電子束轟擊銅箔板后形成孔徑大小的比較，驗證柵偏電壓對電子束束斑大小的調(diào)節(jié)作用。

1　實驗設備及實驗前的準備

1.1實驗設備

本次實驗所使用的設備如圖1所示。通過調(diào)節(jié)，使其工作指標為束功率30 kW，陰、陽極之間加速電壓為150 kV.另外，保證工作室的真空度達到10-3Pa數(shù)量級，以確保電子束的發(fā)射聚焦。為防止金屬氧化，同時也促使雜質(zhì)蒸發(fā)，電子槍內(nèi)的真空度則要達到10-4Pa.

圖1　高壓電子束焊機

1.2實驗前準備

在開始工作前，首先要對電子束焊機進行預熱，同時調(diào)試其真空系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)，一切正常后，就可對電子槍進行調(diào)試，主要步驟包括以下幾點：

（1）陰極開路，在不下束時，高壓從0 V逐漸加到150 kV，觀察有沒有放電現(xiàn)象。

（2）高壓開路，陽極無加速電壓，加陰極電源，同樣是從0逐漸加到額定值。從觀察窗觀察在工件上有沒有陰極的投影，即發(fā)亮的圓形斑點，然后讓陰極點燃10 min，觀察加熱電流是否穩(wěn)定，有無異?，F(xiàn)象。

（3）調(diào)整束流并調(diào)節(jié)透鏡電流。在放置工件的位置上，放置一塊石墨片，加上陰極電流和高壓，然后一邊調(diào)節(jié)透鏡電流，一邊觀察小束流（大概10 mA左右）時聚在石墨片上的亮點，直到石墨片上小束流的亮點達到最亮時為止。

（4）調(diào)合軸。要求電子束的軸中心與電子光學系統(tǒng)的軸中心相互重合，即成為合軸。用石墨片放在工件的位置，拉小束流，并改變磁透鏡電流，即從聚焦到散焦，束斑點由小變大，如果斑點中心發(fā)生了偏移，則說明沒有調(diào)合軸。合軸的目的是為了減少由于高壓波動或磁透鏡電流波動而引起束斑點在工件上移動。

2　實驗方法及步驟

（1）準備工作完成后，將實驗用銅箔板四塊兩兩平行放置在工作室的工作臺面上。

（2）運行真空系統(tǒng)，對工作室和電子槍內(nèi)部抽真空，使工作室和電子槍內(nèi)部的真空度達到實驗要求（工作室的真空度達到10-3Pa數(shù)量級，電子槍內(nèi)部的真空度達到10-4Pa數(shù)量級）。

（3）真空度達到實驗要求后，開始對燈絲進行預熱，預熱完成后就可以加載高壓、下束，進行實驗。實驗過程中槍的各項工作指標如下：

工作電壓：150 kV；

束流：200 mA；

聚焦電流：600 mA；

工作室的真空度：7.0×10-3Pa；

槍體內(nèi)的真空度：1.9×10-4Pa.

（4）下束實驗分為兩個步驟：第一步，聚束極與陰極等電位，都加150 kV高壓，然后進行下束實驗，讓電子束先后轟擊兩個銅箔板試件1和試件2；第二步，聚束極加上-2000 V的柵偏電壓，再下束，先后轟擊另兩個銅箔板試件3和試件4.

下束大概幾秒鐘，銅箔板就被電子束擊穿，實驗就基本完成了。

（5）實驗結束后，先卸載高壓，然后將真空慢慢卸掉。待焊機冷卻后，打開工作室，取出銅箔板，測量各銅箔板被擊穿后形成的孔徑大小，待進一步進行數(shù)據(jù)處理和結果分析。

3　實驗結果分析

實驗完成取下實驗銅箔板，如圖2及圖3所示。通過測量銅箔板被擊穿形成的孔徑，即可近似獲得電子槍內(nèi)被測處的電子束直徑。

圖2　未加柵偏電壓時的下束情況

圖3　加-2000 V特柵偏電壓時的下束情況

由于電子束擊穿銅箔板的孔不可能是規(guī)則的圓形，但通過觀察得知，銅箔板被擊穿的孔還算比較規(guī)則，故用游標卡尺測得五處的孔徑，然后取其平均值作為相應的銅箔板被擊穿后形成的孔的直徑（亦即是電子槍中被測處的電子束徑），試件孔徑見表1.

表1　試件孔徑

結果分析：

（1）通過對圖2和圖3的比較可知，柵偏電壓對直熱式陰極電子槍的束流特性具有很大的影響，聚束極加上負偏壓后，負偏壓影響到電子槍陰極附近的電位分布和陰極的發(fā)射性能，使束流的形狀更接近圓形；

（2）通過測量試件的孔徑值可以發(fā)現(xiàn)：未加柵偏電壓時束斑直徑平均約為2.34 mm，增加柵偏電壓后束斑直徑平均為1.11 mm，束斑直徑縮小約110%.由此可見，增加柵偏電壓對束斑直徑的影響非常顯著。

4　結束語

電子槍發(fā)射功率一定時，打到工件上的電子束束斑越小，能量密度就越大，電子束的穿透能力就越強，焊接性能也就越好。當聚束極加上負偏壓后，陰極前電位降低，陰極發(fā)射電流減小。同時，偏壓電場所形成的負電位，還可以抑制陰極側面發(fā)射和邊緣電子的發(fā)射，減小電子槍的靜電像差［3］，因而可能縮小靜電焦點的直徑即束腰的大小進而影響束斑的大小，提高焊接質(zhì)量。

［1］王之康.真空電子束焊接設備及工業(yè)［M］.北京：原子能工業(yè)出版社，1990.9.

［2］黃以平.我國電子束焊機現(xiàn)狀及研制能力初探［C］.//中國機械工程學會第十屆全國焊接學會會議論文集.2001：2-6.

［3］張以忱.電子槍與離子束技術［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

An Experimental Study on the Change of Electron Beam Spot Diameter of Electron Beam Welding Machine Before and After the Increase of the Gate Voltage

LUO Jing，NI Shi-yong
（Zhangjiajie Institute of Aeronautical Engineering，Hunan Zhangjiajie 427000，China）

In some electron beam welding machines，the diameter of the beam spot can be controlled by adjusting the size of the gate bias voltage.In this experiment，the effect of the gate bias voltage on the shape and size of the beam spot is verified in the two cases with the increase of the gate voltage and the bias voltage.

electronic beam welder；gate bias voltage；diameter of the beam spot；experiment

TF134

A

1672-545X（2016）08-0144-02

2016-05-03

羅靜（1974-），女，遼寧鐵嶺人，講師，碩士研究生，主要從事機電設備維修與管理專業(yè)的教學與研究工作。