(北京航空制造工程研究所 高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024)

高壓逆變電子束焊接電源研制及其焊接適用性研究

許海鷹左從進(jìn)桑興華付鵬飛

(北京航空制造工程研究所 高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024)

為了進(jìn)一步提高電子束焊機(jī)工作的可靠性和穩(wěn)定性，提高電子束加工質(zhì)量，采用AC-DC-AC-DC-AC-DC的拓?fù)潆娐泛碗p閉環(huán)控制策略設(shè)計(jì)制造了高壓加速電源、偏壓電源與燈絲加熱電源。將所研制高壓逆變電源與150 kV/30 kW電子槍、真空系統(tǒng)等組成了一套電子束焊接設(shè)備，分別測試了該電子束焊接設(shè)備輸出的高壓、最大束流、焊接工藝參數(shù)一致性、最大焊接深度。試驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的逆變電源高壓輸出達(dá)到150 kV，高壓輸出線性度較好；工藝參數(shù)一致性較好；最大束流達(dá)到200 mA；鈦合金焊接深度達(dá)到100 mm。這表明所研制的高壓逆變電子束焊接電源的焊接適用性良好。

高壓逆變電源電子束焊機(jī)

0 序 言

真空電子束焊接具有高能量密度、高能量轉(zhuǎn)化效率、高加工質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在航空航天、兵器工業(yè)、艦船、汽車等國防工業(yè)及民用工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-5]。國內(nèi)外針對(duì)電子束焊接設(shè)備技術(shù)進(jìn)行了大量研究，目前已經(jīng)形成60 kV中壓和150 kV高壓系列電子束焊接設(shè)備。60 kV中壓電子束焊接設(shè)備在國內(nèi)外均有大量生產(chǎn)商，而且技術(shù)日趨成熟；相對(duì)而言，高壓電子束焊接設(shè)備設(shè)計(jì)制造技術(shù)難度更大，目前國內(nèi)大功率高壓電子束焊接設(shè)備市場幾乎被歐美國家所壟斷。

為了打破國外對(duì)大功率高壓電子束源技術(shù)的壟斷，提高國產(chǎn)電子束焊接設(shè)備技術(shù)水平。采用基于AC-DC-AC-DC-AC-DC的拓?fù)潆娐芳跋冗M(jìn)的控制策略，研制了一臺(tái)基于IGBT的調(diào)壓、逆變的150 kV/30 kW新型電子束焊接高壓電源。將所研制的高壓逆變電源配合150 kV/30 kW電子槍、真空系統(tǒng)、焊接控制系統(tǒng)等，組成高壓逆變電子束焊接系統(tǒng)，對(duì)高壓逆變電源輸出波形進(jìn)行檢測，并且進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，結(jié)果表明：所研制高壓逆變電源最大輸出達(dá)到150 kV，最大束流200 mA，焊接工藝參數(shù)一致性較好，鈦合金最大焊縫深度達(dá)到了100 mm以上。

1 高壓逆變電子束焊接電源設(shè)計(jì)要求

電子束焊接系統(tǒng)包括高壓電源、電子槍、真空、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等，其中高壓電源和電子槍構(gòu)成的電子束源是所有電子束焊接系統(tǒng)的核心部件。目前高壓電子束焊接所用電子槍通常包括陰極、柵極、陽極的三極電子槍，陰極是材質(zhì)為鎢的燈絲，柵極是燈絲下端安裝的一個(gè)部件，施加一個(gè)相對(duì)于輸出高壓更低電位的電壓，通常稱之為偏壓，用于調(diào)整電子束流的輸出[6]，陽極是能夠產(chǎn)生靜電匯聚效應(yīng)的軸對(duì)稱筒狀結(jié)構(gòu)[7]，通常燈絲、柵極、陽極沿著電子束軸線位置從上到下依次分布。

一般真空電子束流產(chǎn)生過程中，當(dāng)電子槍及真空室的真空度達(dá)到設(shè)計(jì)要求以后，柵極被施加最大電壓；然后逐漸增大加速電壓，使其輸出達(dá)到設(shè)定值；再啟動(dòng)燈絲加熱電源加熱燈絲，燈絲被加熱后產(chǎn)生大量電子。當(dāng)柵極上的負(fù)偏壓很大時(shí)，加熱燈絲產(chǎn)生的電子在燈絲發(fā)射面前端形成電子云，電子發(fā)射被柵極上很大的負(fù)偏壓抑制，電子槍沒有電子束流輸出；當(dāng)柵極負(fù)偏壓降低到不足全部抑制燈絲加熱產(chǎn)生的電子時(shí)，電子槍有電子束流輸出；逐漸降低偏壓，電子束流逐漸增大，當(dāng)柵極負(fù)偏壓降低到零，電子槍產(chǎn)生的束流大小將完全由燈絲被加熱的程度所決定。

根據(jù)以上分析，為了獲得穩(wěn)定的可控電子束流輸出，所研制150 kV/30 kW高壓逆變電源中除了包括150 kV高壓加速電源外，還需要包括偏壓電源、燈絲加熱的電源。

所研制逆變電源加速電壓調(diào)節(jié)范圍-150～0 kV；偏壓電源輸電壓范圍-2 500～-10 V；燈絲加熱電源的輸出電流0～50 A可調(diào)，輸出電壓為12 V。

2 高壓逆變電源拓?fù)浼捌淇刂齐娐吩O(shè)計(jì)

2.1 高壓逆變電源拓?fù)?/p>

高壓加速電源由低壓部分和高壓部分組成，其中低壓部分又包括全橋逆變直流電路和全橋逆變電路，高壓部分主要由高壓功率變壓器、倍壓整流電路、高壓采樣電路等組成,高壓加速電源的拓?fù)潆娐啡鐖D1所示。

圖1 高壓加速電源拓?fù)潆娐?/p>

在圖1a中，三相380 V交流電經(jīng)三相全橋整流濾波電路MD1后得到約500 V的直流電，輸入到由4只IGBT開關(guān)管Q01～Q04組成的第一全橋逆變電路，變換成約20 kHz的交流方波，然后經(jīng)1∶1隔離變壓器TR0耦合至副邊，再經(jīng)由D1～D4組成的全波整流電路整流，電感L01和電容C2組成的濾波電路濾波后，得到電壓穩(wěn)定可調(diào)的直流電。該直流電作為Q1～Q4組成的第二全橋逆變電路的輸入，第二全橋逆變電路將所述直流電轉(zhuǎn)化成20 kHz的交流電，作為高壓部分的輸入，其中電容C1,C3為隔直電容。低壓部分電路的電流變化過程為：AC-DC-AC-DC-AC，第一級(jí)AC-DC變化是380 V/50 Hz的交流電經(jīng)過三相全波整流濾波后變成穩(wěn)定的500 V左右的直流電；第二級(jí)AC-DC變化是經(jīng)過第一級(jí)全橋逆變電路所形成的20 kHz左右的交流電經(jīng)過濾波整流電路后變成的電壓可調(diào)的直流電。調(diào)節(jié)第一級(jí)逆變電路IGBT的導(dǎo)通時(shí)間，可以調(diào)整第二級(jí)AC-DC變化電路的輸出電壓，所設(shè)計(jì)電路的輸出電壓0～500 V連續(xù)可調(diào)。

高壓部分是由三組同等功率、相同電路拓?fù)涞谋秹弘娐凡⒙?lián)而成，圖1b是其中一組，高壓逆變功率變壓器HVTR的輸入為第二級(jí)全橋逆變電路輸出的20 kHz左右的交流方波，高壓功率變壓器HVTR的變比為1∶22，將輸入的0～500 V變化的低壓交流電轉(zhuǎn)化成0～11 000 V頻率相同的高壓交流電，該交流電再經(jīng)過Cockcroft-Wa-lton 16倍壓整流電路，變成負(fù)高壓直流電，經(jīng)過限流電路后，聯(lián)接到偏壓與燈絲加熱電源。

為了提高所研制高壓電源工作的穩(wěn)定性，不僅是高壓加速電源，偏壓和燈絲加熱電源也都采用了AC-DC-AC-DC-AC-DC的拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)。

燈絲加熱電源的拓?fù)潆娐放c偏壓電源的類似，不同之處在于第三級(jí)AC-DC中采用的變壓器不同，偏壓電源這一級(jí)變壓器為升壓變壓器，燈絲加熱電源這一級(jí)變壓器為降壓變壓器。

2.2 控制電路

2.2.1 高壓加速電源控制電路

圖2為高壓加速電源的電壓閉環(huán)控制電路原理框圖。外部高壓給定信號(hào)UHVg作為外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路的輸入，其輸出值Ug與第二級(jí)AC-DC輸出電壓的反饋信號(hào)Uf作為內(nèi)環(huán)PID調(diào)節(jié)電路的輸入，內(nèi)環(huán)PID調(diào)節(jié)電路輸出Ugg再調(diào)節(jié)PWM發(fā)生及保護(hù)電路1所產(chǎn)生的PWM脈沖寬度，從而改變第一級(jí)逆變電路中IGBT的開通時(shí)間，繼而導(dǎo)致第二級(jí)AC-DC輸出的直流電壓改變，從而使高壓輸出得到調(diào)節(jié)。因此，當(dāng)閉環(huán)調(diào)節(jié)電路穩(wěn)定時(shí)，加速電源的輸出高壓就與設(shè)定值相等，大大提高了加速電壓的輸出穩(wěn)定度。

2.2.2 偏壓電源控制電路

當(dāng)加速電壓和燈絲加熱電流輸出達(dá)到設(shè)定值，調(diào)節(jié)偏壓可以實(shí)現(xiàn)束流調(diào)節(jié)，但要實(shí)現(xiàn)束流穩(wěn)定，需要保持偏壓輸出穩(wěn)定，將束流給定值、束流反饋信號(hào)、高壓加速電壓反饋信號(hào)引入到偏壓控制系統(tǒng)中，使束流輸出穩(wěn)定，并得到精確調(diào)節(jié)。偏壓電源控制電路如圖3所示。束流反饋信號(hào)Isf與束流給定信號(hào)Isg作為外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路的輸入，該P(yáng)ID調(diào)節(jié)電路的輸出值Ug2與偏壓逆變電源的第二級(jí)AC-DC的輸出電壓反饋信號(hào)Uf2作為內(nèi)環(huán)PID調(diào)節(jié)電路的輸入，內(nèi)環(huán)PID調(diào)節(jié)電路的輸出Upg1，用于調(diào)整PWM發(fā)生及保護(hù)電路1的PWM脈寬，從而調(diào)整偏壓電源第二級(jí)AC-DC的輸出；偏壓電源的第二級(jí)逆變電路中的IGBT工作于滿脈寬狀態(tài)，當(dāng)?shù)诙?jí)AC-DC的輸出電壓改變時(shí)，偏壓電源第三級(jí)AC-DC的輸出電壓也得到改變。因此，當(dāng)內(nèi)、外閉環(huán)PID調(diào)節(jié)電路穩(wěn)定時(shí)，偏壓電源輸出的偏壓值就能穩(wěn)定，從而使束流輸出穩(wěn)定。

圖2 加速電源控制電路框圖

圖3 偏壓電源控制電路框圖

將高壓反饋信號(hào)UHVf引入偏壓控制的外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路，目的在于當(dāng)出現(xiàn)高壓連續(xù)放電或高壓突變時(shí)，迅速減小束流輸出，保護(hù)電源。

燈絲加熱電源的控制相對(duì)于加速電壓和偏壓控制比較簡單，燈絲加熱電流的大小通過隔離變壓器原邊電流采樣計(jì)算獲得，只要保障燈絲加熱電流穩(wěn)定，燈絲被加熱的溫度足夠高，即能夠保障穩(wěn)定的束流輸出。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將所研制的高壓逆變電源與150 kV/30 kW高壓電子槍、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等進(jìn)行系統(tǒng)集成，組成高壓大功率電子束焊機(jī)，通過檢測功率變壓器原邊電壓電流波形與高壓、束流采樣電阻上的采樣信號(hào)，分析高壓逆變電源輸出特性；根據(jù)航標(biāo)檢測焊接工藝參數(shù)的一致性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析電子束源的穩(wěn)定性；通過檢測電子束源焊接的最大焊縫深度，分析電子束的穿透能力。

3.1 高壓及最大束流檢測分析

空載時(shí)，逐漸增加高壓給定值，采用兩只經(jīng)過標(biāo)定的萬用表分別檢測高壓加速電源的第二級(jí)AC-DC輸出的直流電壓UDC及其對(duì)應(yīng)高壓采樣電阻上的電壓信號(hào)UHVf，高壓逆變電源輸出加速壓UHV(單位：kV)可通過式(1)計(jì)算獲得。

(1)

當(dāng)高壓加速電源第二級(jí)AC-DC輸出的直流電壓達(dá)到380 V左右時(shí)，高壓采樣電阻上的電壓達(dá)到-9 V，根據(jù)式(1)計(jì)算結(jié)果，表明高壓逆變電源空載電壓達(dá)到-150 kV。

根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)，繪制出如圖4所示的高壓加速電源的第二級(jí)AC-DC輸出的直流電壓對(duì)應(yīng)高壓輸出的特性曲線，從圖4中可以看出，高壓加速電源輸出具有良好的線性度。

圖4 空載時(shí)高壓電源輸出特性

在燈絲加熱電流25 A，高壓輸出149 kV時(shí)，逐漸減小偏壓輸入，采用TPS2024示波器分別檢測功率變壓器原邊電壓與電流、束流的波形，在45 Ω束流采樣電阻上檢測到最大反饋信號(hào)為9.05 V，實(shí)現(xiàn)了最大200 mA束流輸出。

3.2 焊接工藝參數(shù)一致性檢測

根據(jù)航標(biāo)HB 7608《高溫合金、不銹鋼真空電子束焊接質(zhì)量檢驗(yàn)》要求，對(duì)所研制電源的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測，采用高壓150 kV、聚焦電流2 200 mA，其它焊接參數(shù)見表1。在一塊不銹鋼試板上分別進(jìn)行焊接，獲得焊縫A,B和C，按照同樣操作規(guī)范分別采用三種焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，連續(xù)焊接三次。在垂直于焊速方向切開焊縫，制備試樣，檢測不同工藝參數(shù)條件下的焊接深度，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，所研制高壓逆變電子束源的參數(shù)一致性較好。

表1 電子束流輸出穩(wěn)定性檢測的工藝參數(shù)

3.3 最大焊縫深度檢測

為了檢測所研制電子束焊機(jī)最大束流的穿透能力，在高壓150 kV、掃描波形圓形、掃描頻率500 Hz的條件下，分別選用了如表2所示其它焊接工藝參數(shù)，進(jìn)行TC4-DT大厚度鈦合金電子束焊接試驗(yàn)，檢測最大焊縫深度，所獲得的焊縫橫截面如圖5所示。可以看出所研制的高壓逆變電子束源的束流穿透能力比較強(qiáng)，170 mA以上束流，焊縫深度均達(dá)到100 mm以上，并且在掃描、聚焦電流、焊接速度等工藝參數(shù)選配合適時(shí)，可獲得平行焊縫。

圖5 100 mm鈦合金電子束焊縫照片

聚焦If/mA束流Ib/mA焊速v/(mm·s-1)焊縫深度H/mm2175172410021851904103

4 結(jié) 論

(1)分別采用AC-DC-AC-DC-AC-DC的拓?fù)潆娐?、雙閉環(huán)控制電路，研制了電子束焊接電源的加速電源、偏壓電源、燈絲加熱電源，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的高壓、偏壓、燈絲加熱電流輸出。

(2)所研制高壓逆變電源輸出高壓的線性度良好，最大電壓達(dá)到150 kV，最大束流達(dá)到了200 mA。

(3)所研制的高壓逆變電源輸出穩(wěn)定，焊接工藝參數(shù)一致性良好，電子束穿透能力強(qiáng)，最大束流輸出時(shí)，焊縫熔深達(dá)到100 mm以上。

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2017-03-17

工信部基金資助項(xiàng)目

TG439.3

許海鷹，1973年出生，工學(xué)博士，高級(jí)工程師。主要從事高能束設(shè)備研發(fā)工作，已發(fā)表論文20余篇，已申請(qǐng)發(fā)明專利20余項(xiàng)。