新型脉冲电子束焊接偏压电源设计

齐铂金 徐国宁 刘方军 肖 攀

(北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京100191)

1 问题提出

电子束焊接是利用会聚的连续高速电子流轰击焊件连接部位所产生的热能使被焊金属熔合的焊接方法.脉冲电子束焊接是相对于通常所说的连续束流电子束焊接而言的，即将焊接束流调制成脉冲形式进行焊接［1－2］.在保持同样的功率情况下，脉冲电子束焊接比传统的连续束流电子束焊接的穿透深度和深宽比要大30% ～50%［3］，能够使中压电子束焊透深度接近常规连续束流高压电子束的焊透深度［4］.并且脉冲电子束焊接对薄壁件焊接能够起到降低热输入和防止被焊工件过热，减少焊接变形的效果.到目前为止，通过查询国内外相关文献，脉冲电子束焊接相关研究报道还不多见.

脉冲电子束焊接电源由加速电源、阴极加热电源和脉冲偏压电源组成，如图1所示，其中脉冲偏压电源产生脉冲栅偏电压，是实现脉冲束流的核心和关键.

图1 脉冲电子束焊接电源总图

脉冲偏压电源的主要作用是控制和调节脉冲电子束流，它的原理是在阴极和栅极之间加脉冲栅极偏压，通过调节脉冲栅极偏压的参数调节脉冲电子束流的参数.其中电子束流和栅偏电压对应关系如图 2 所示［3－5］.

图2 束流与栅偏电压关系示意图

从图2中可以看出，随着栅偏电压值增大，束流值减小，高的栅偏电压值对应小的电子束流值，低的栅偏电压值对应大的电子束流值.

根据束流与栅偏电压关系示意图，施加的脉冲偏压如图3a所示，对应产生的脉冲束流如图3b所示.

图3 脉冲束流与脉冲偏压关系示意图

脉冲偏压由基值电压Ub和峰值电压Up组成.当脉冲偏压在峰值电压Up时，对应产生脉冲束流值为Ib，当脉冲偏压在基值电压Ub时，对应产生脉冲束流值为Ip.通过调整脉冲偏压的基值电压Ub的幅值调整脉冲束流Ip的幅值，通过调整脉冲偏压的基值电压Ub的幅值调整脉冲束流Ib的基值，通过调整脉冲偏压的频率和占空比调整脉冲束流的频率和占空比.

从图3中可看出如何产生和控制脉冲基值、脉冲峰值、脉冲频率和占空比可调的脉冲偏压是本文研究的重点，脉冲偏压电源由独立的偏压基值和偏压脉冲生成主电路和相应的控制电路组成，其中的脉冲控制是通过控制前级低压电路来实现的，此模式相对后级高压脉冲控制简单可靠.

2 脉冲偏压电源主电路设计

脉冲偏压主电路拓扑如图4所示，脉冲偏压主电路由2个相互独立的偏压基值产生电路和偏压脉冲产生电路串联而成，偏压基值与偏压脉冲可独立控制与调节，其中偏压基值幅值可调，偏压脉冲幅值、频率和占空比分别独立可调.

偏压基值产生电路将380 V工频交流电进行三相全波整流滤波后，得到大约540 V左右的直流，整流滤波模块包括整流桥B1、滤波电感L1和滤波电容C1;经过由功率开关管Q1、功率二极管D1、滤波电感L2和滤波电容C3组成的斩波降压模块将得到的直流进行调节;经过由功率开关管Q3和Q4，电容C5和C6组成的半桥逆变模块把直流逆变成交流方波，连接到高频升压变压器T1原边，其中半桥逆变模块预设为最大脉宽模式工作，起隔离变换作用;高频升压变压器T1将原边的电压升压;最后经过由整流桥B2和滤波电容C9组成的高压整流滤波模块将交流方波整流为直流.电阻R3和R4为脉冲基值电压的取样电阻，偏压基值产生电路输出电压正极通过限流电阻R1串联到高压电源的负极.

偏压脉冲产生电路经过由功率开关管Q2、功率二极管D2、滤波电感L2和滤波电容C4组成的斩波降压模块将得到的直流进行调节;经过由功率开关管Q5和Q6，电容C7和C8组成的半桥逆变模块把直流逆变成交流方波，连接到高频升压变压器T2原边;高频升压变压器T2将原边的电压升压;最后经过由整流桥B3和滤波电容C10组成的高压整流滤波模块将交流方波整流为直流.偏压脉冲产生电路输出电压正极通过限流电阻R2串联到偏压基值产生电路输出电压的负极，偏压脉冲产生电路输出电压负极串联到电子枪的栅极.电阻R5和R6为脉冲峰值电压的取样电阻.

图4 脉冲偏压电源主电路和控制电路结构图

当偏压基值产生电路和偏压脉冲产生电路均工作时，该偏压电源能够实现脉冲偏压，即能够实现脉冲电子束焊接.偏压基值产生电路控制偏压脉冲基值，偏压脉冲产生电路控制偏压脉冲峰值、偏压脉冲频率和偏压脉冲占空比.

当偏压基值产生电路工作，而偏压脉冲产生电路不工作时，偏压基值产生电路输出负极信号经过电阻R2流经整流桥B3的二极管到达电子枪栅极，此时偏压电源能够实现常规直流偏压，即能够实现常规连续束流电子束焊接.

3 脉冲偏压电源控制电路设计

本文利用TMS320LF2407A芯片进行实时数据采集和处理，采用WEINVIEW MT6100i触摸屏作为人机交互界面和SG2525芯片用于生成脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation)方波.TMS320LF2407A集成了16通道脉宽调制PWM、16通道10位A/D转换器、串行接口SCI模块和控制器局域网络 CAN模块等.丰富的资源与64 kB的外部寻址接口能很好地满足控制系统的设计要求［6］.WEINVIEW触摸屏支持MODBUS通信协议，本文通过编写专门针对DSP的MODBUS协议实现触摸屏与DSP相互通信.脉冲电流峰值、脉冲电流频率和占空比等参数的设定与焊接过程的工作状态显示可以方便在触摸屏上完成，提供了良好的人机交互界面，脉冲电子束焊接电源触摸屏界面如图5所示.

图5 脉冲电子束焊焊接触摸屏界面

本文的控制方式为:通过分别控制偏压基值产生电路和偏压脉冲产生电路的斩波降压模块调节偏压脉冲基值和偏压脉冲峰值;通过控制偏压脉冲产生电路的半桥逆变模块实现频率和占空比可调的偏压脉冲.

偏压基值产生电路调节过程:偏压基值产生电路主要通过调节斩波降压模块闭环控制完成.由偏压基值给定值与对应偏压基值输出反馈值进行闭环比例积分控制器(PID，Proportional Integration Differential)运算处理后，输出PWM方波信号;经过驱动电路后，控制斩波降压模块的开关管，从而完成偏压基值的调节.对偏压基值闭环调节采用电压双闭环PID调节，可以使得偏压基值调节更加稳定，如图6所示.

图6 脉冲峰值闭环控制原理图

偏压脉冲产生电路调节过程:根据本文主电路拓扑结构，可以采用2种脉冲产生方式.第1种脉冲产生方式是通过控制斩波降压模块产生偏压脉冲，即把斩波降压模块输出Uo2调制成脉冲形式，半桥逆变模块预设为最大脉宽模式工作，起隔离变换作用，从而实现最终偏压脉冲输出;调节过程为:由偏压脉冲给定值Upg与斩波降压模块脉冲输出反馈值Uo2进行闭环PID运算处理后，输出PWM方波信号，经过驱动电路后，控制斩波降压模块的开关管Q2，从而完成偏压脉冲的调节.其中偏压脉冲给定值Upg是利用DSP事件管理模块EVA和EVB现有的PWM信号产生方式生成PWM脉冲，从而实现最终脉冲偏压，闭环控制原理如图7所示.

图7 第1种脉冲产生方式控制原理图

由于斩波降压模块由储能元件电感和电容组成，为保证输出平稳性，电感和电容值选取较大，使得第1种脉冲产生方式电路动态响应差，输出波形不是严格的方波，下降沿变缓，如图8所示.随着脉冲频率增高越来越明显，当脉冲频率超过200 Hz时波形畸变严重.

第2种脉冲产生方式是斩波降压模块直流输出作为偏压脉冲峰值，通过开通或关断半桥逆变模块实现最终偏压脉冲输出.

偏压脉冲产生电路中斩波降压模块主要是调节偏压脉冲峰值，为了精确控制偏压脉冲峰值，控制采用电压双闭环控制策略，实现对偏压脉冲峰值的闭环控制，闭环控制原理如图9所示.

图9 脉冲峰值闭环控制原理图

实现对偏压脉冲峰值的采集是偏压脉冲峰值闭环控制中要解决的重要问题.本文采用AD公司的PKD01峰值保持器采集偏压脉冲峰值，PKD01峰值保持器采用跨导型运算放大器，因而具有响应速度快、通频带宽、线性好、峰值保持精度高等优点.对于具有瞬变峰值脉冲的信号，通过选择适当的外接保持电容，PKD01即可快速、准确地检测并保持峰值脉冲信号，直至发送RST复位信号进行清除为止.另外，DSP的10位A/D转换时间最小为500 ns，足以对脉冲峰值实现多次定时采样.

半桥逆变模块脉冲发生器采用PWM发生器芯片SG2525，通过控制SG2525的外部关断信号输入端(第10脚)的开通关断频率实现半桥逆变模块开通关断频率，最终实现偏压脉冲输出.当SG2525的外部关断信号输入端为高电平时，半桥逆变模块的开关管Q5和开关管Q6全部关断，此时偏压脉冲产生电路输出为零;当SG2525的外部关断信号输入端为低电平时，开关管Q5和开关管Q6交替开通，此时偏压脉冲产生电路最终输出为固定值;通过控制SG2525的外部关断信号输入端脉冲的频率实现最终的偏压脉冲输出.工作过程如图10所示，其中图10a为外部关断输入控制信号，通过一个逻辑电路连接到SG2525的第10脚，当外部关断输入控制信号为高电平时，SG2525的第10脚为低电平;当外部关断输入控制信号为低电平时，SG2525的第10脚为高电平.

图10 第2种脉冲产生方式控制原理图

在第1个周期内，［0～t1］，外部关断输入信号为高电平，半桥逆变模块正常输出，偏压脉冲输出为直流电压;［t1～t2］，外部关断输入控制信号为低电平，半桥逆变模块关断输出，偏压脉冲输出为零;在t2以后，重复上个周期的动作.从图10a中可以看出，外部关断输入信号关断的频率和占空比控制偏压脉冲的频率和占空比.

SG2525外部关断信号输入端脉冲频率和占空比是通过调节周期寄存器T1PER与其比较寄存器COMPR1的值完成的，其中在EVA选择一路PWM输出引脚，由相应的比较控制寄存器ACTRA设定为高有效，记为PWMn，与该路PWM输出相关的另外一路PWM不能使用.根据所设定脉冲频率fn确定事件管理模块周期寄存器T1PER中所存的数值Tnum=fclk/fn，其中 fclk为周期寄存器工作的时钟频率，fn为逆变器工作频率.

第2种脉冲产生方式偏压脉冲输出波形如图11所示.

图11 第2种偏压脉冲输出波形

图11的具体参数为:脉冲频率为1 kHz，占空比50%，脉冲基值80 V，脉冲峰值400 V.从图中可看出，脉冲电子束焊接偏压电源的输出电压稳定，按照设定脉冲频率和占空比变化.相比在斩波降压模块实现脉冲输出波形畸变小、控制精度高并能够实现更高的脉冲频率.

4 试验

采用脉冲电子束焊接电源对3 mm厚度Ti-6Al-4V钛合金板进行电子束焊接试验，具体焊接参数如表1所示.

表1 试验用焊接工艺参数

试件1连续束流电子束焊接，其它试件为脉冲电子束焊接，焊接均是在保持相同焊透条件下进行.在脉冲电子束焊接过程中，电子束流是间歇性打在工件上，在脉冲束流的冲击作用下，熔池不断熔化与冷却凝固，随着工件的移动，电子束流在试件上前移，熔池下凹，熔化金属被排斥在电子束前进的后方，冷却凝固后形成一系列弧形纹理.从图12焊缝形貌来看，焊缝上表面宽度一致，弧纹均匀，随着脉冲频率的增加，弧纹间距逐渐减小，脉冲频率160 Hz以后已经看不出弧纹间距.从表1可以看出，脉冲电子束焊接的平均束流为8 mA，小于连续束流焊接的束流12 mA.在同样加速电压下脉冲电子束焊接在减少热输入的情况下与连续束流电子束焊接保持同样的焊透性，说明在相同平均输入功率下，相比连续束流电子束焊接，脉冲电子束焊接的冲击作用使得电子束焊接的穿透性更加显著，并且焊缝宽度有减小的趋势.

图12 电子束焊缝形貌

5 结论

本文开发的脉冲电子束焊接偏压电源，能够根据设置的偏压脉冲频率、偏压基值和偏压脉冲峰值得到对应的脉冲束流，经测试脉冲偏压电源具有输出波形稳定、动态响应快、控制精度高和可靠性好等优点.

该电源主电路拓扑能够实现常规连续束流焊接和脉冲束流焊接自由切换，即根据实际需要既能实现连续束流焊接，又能实现脉冲电子束焊接.

利用开发的脉冲电子束偏压电源组成的脉冲电子束焊接电源对Ti-6Al-4V钛合金板进行脉冲电子束焊接，并和连续束流电子束焊接对比.试验证明在相同平均功率下，脉冲电子束焊接比连续束流电子束焊接的穿透性更加显著，并且焊缝宽度有减小的趋势.

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