偏轉系統在真空電子束焊設備上的應用與研究

張麓娟

摘? 要：本文主要介紹了真空電子束焊接設備上偏轉系統的基本結構及工作原理，以及偏轉功能在實際生產中的具體應用。

關鍵詞：偏轉系統;電子束焊接

0? 引言

電子束加工是利用電子束的熱效應，對材料進行表面熱處理、焊接、打孔、熔煉、鍍膜、物理氣相沉積等加工。電子束加工的特點是功率密度大，能在瞬間將能量傳遞給工件，而且電子束的能量和位置可以用電磁場精確和迅速的調節，實現計算機控制。因此，電子束加工技術廣泛應用于制造加工的許多領域，是一種重要的加工方法。

偏轉系統由偏轉線圈和偏轉控制單元組成，是真空電子束焊接設備上的重要組成部分。由于電子束幾乎沒有質量和慣性，可以實現非接觸的偏轉，可以通過改變偏轉線圈電流大小、方向，使磁場力發生改變，實現電子束的偏轉掃描。

1? 偏轉系統的組成及工作原理

真空電子束焊接設備電子槍內部有兩個偏轉系統。一個是位于束源段內的合軸系統，另一個偏轉系統位于聚焦線圈的下方。合軸系統是用于調整柵極到聚焦線圈中心軸電子束的偏移。特別是直熱式陰極加熱會產生磁場，這個磁場會輕微的使發射的電子束偏移，需要通過合軸系統進行校正。偏轉系統可以用于電子束調整和特殊焊接處理，比如使用靜態偏轉功能可將電子束偏離軸線方向一定角度，實現特殊角度焊縫的焊接。使用動態偏轉可以實現電子束多種函數波形掃描，根據函數發生器生成的波形電子束被掃描成圓、橢圓、半圓等多種圖形。

偏轉系統的4個線圈分別被繞在一個鐵環上，相對的兩個線圈組成一組。電流流過線圈產生磁場，當電子束穿過偏轉系統磁場時，在磁場力的作用下偏轉一個固定的角度，因此可以通過改變線圈電流大小、方向來改變電子束偏轉角度的大小和方向。

2? 電子束偏轉功能的應用

2.1? 電子束偏轉在焊接上的應用

電子束靜態偏轉主要應用在特殊結構的零件焊接中，當電子束無法直接對準焊縫，可通過靜態偏轉一定角度輕松實現焊接，同時應用電子束靜態偏轉功能可有效簡化工裝和焊接工序。

電子束動態偏轉也稱為函數掃描，一般應用比較多的是采用橢圓或圓函數掃描功能焊接厚大零件，當電子束在動態偏轉磁場的作用下做高速旋轉運動，可使熔池不斷攪拌，有利于焊接過程中氣體雜質的排出，去除導致疏松的易揮發物質，減少焊縫缺陷，極大提高了厚大零件的焊接質量。

2.2? 電子束偏轉在其它方面的應用

1、利用靜態偏轉減少電子槍污染

由于在焊接過程中會產生大量的金屬蒸汽，電子槍很容易被污染，進而造成高壓放電等影響焊接質量的事故。靜態偏轉功能可使電子束偏轉一定角度，讓焊縫偏離電子束通道中心，避免兩者垂直相對，這樣可有效減少金屬蒸汽直接竄入電子槍室內，降低金屬蒸汽對電子槍室的污染，減少高壓放電。

2、? 利用動態偏轉準確聚焦

焦點位置是電子束焊接中影響焊縫的關鍵因素之一，不同的焦點位置決定了束流到達工件表面時的能量分布，直接影響到電子束的穿透力和焊縫寬度。電子束在工件表面聚焦的常規做法是：發射小束流到工件表面形成束斑，調整聚焦電流將束斑匯聚為一個最小最亮的圓點，聚焦狀態調整的好壞與操作工個人因素有關。利用函數掃描功能可有效減少人為因素的影響，準確、方便的找到電子束焦點。

3? 偏轉系統故障分析

3.1? 合軸問題

英國CVE真空電子束焊設備出現焊縫焊偏現象。起弧束流為9mA時，束斑能夠對準焊縫，焊接正常，當運行至14mA束流段時，出現束斑偏離焊縫現象。

故障分析：更換陰極燈絲后，安裝位置會有一定變化，因此不能保證從束源段出來的電子束恰好通過聚焦線圈的中心。電子束偏離軸心，束斑截面的中心將從焦點位置移走，會出現使用較小的束流對準的焊縫，當增加焊接束流后，束斑將不對在焊縫上。因此，需要借助合軸系統將電子束與聚焦線圈中心調整為同軸。合軸良好的電子束產生的是一組同心圓，能夠保證束斑與焊縫的對準。

3.2? 函數掃描故障

德國IGM真空電子束焊設備函數掃描功能失效。

故障分析：函數發生器接收CNC發出的指令輸出需要的掃描偏轉信號，偏轉信號經M60信號放大單元進行放大處理，最終驅動偏轉線圈生成電磁場，實現電子束掃描偏轉焊接。根據控制電路分析，函數掃描功能失效的原因有：（1）CNC故障，沒有發送偏轉信號到函數發生器;（2）函數信號發生器故障，沒有輸出信號到放大器單元;（3）信號放大器故障;（4）偏轉線圈故障。

本著由易到難的原則進行檢查，首先測量偏轉線圈電阻及對地電阻，確定偏轉線圈正常;其次，執行函數掃描程序，測量CNC及函數發生器均有偏轉信號輸出，而偏轉線圈上無電壓信號，可以判斷故障部位為信號放大單元。檢查發現信號放大電路板上1.6A，250V保險燒斷，更換保險，并對其他電氣元件進行測量，發現并在變壓器初級上的KT1800電容擊穿短路，更換電容后偏轉掃描控制電路運行正常，函數掃描功能恢復。

4? 結束語

偏轉系統是真空電子束焊接設備的重要組成部分，生產焊接時合理的應用偏轉功能，不但可以減少電子槍污染，預防高壓放電，而且對提升零件的焊接質量有重要意義。同時，本文對真空電子束焊接設備偏轉系統結構和工作原理以及故障問題的分析，希望對維修人員在維修偏轉系統故障時能夠有所幫助。

參考文獻：

[1]IGM真空電子束焊技術資料

[2]王西昌，趙海燕.新技術新工藝[J]. 數字技術與機械加工工藝裝備，2008，10