偏转系统在真空电子束焊设备上的应用与研究

张麓娟

摘  要：本文主要介绍了真空电子束焊接设备上偏转系统的基本结构及工作原理，以及偏转功能在实际生产中的具体应用。

关键词：偏转系统;电子束焊接

0  引言

电子束加工是利用电子束的热效应，对材料进行表面热处理、焊接、打孔、熔炼、镀膜、物理气相沉积等加工。电子束加工的特点是功率密度大，能在瞬间将能量传递给工件，而且电子束的能量和位置可以用电磁场精确和迅速的调节，实现计算机控制。因此，电子束加工技术广泛应用于制造加工的许多领域，是一种重要的加工方法。

偏转系统由偏转线圈和偏转控制单元组成，是真空电子束焊接设备上的重要组成部分。由于电子束几乎没有质量和惯性，可以实现非接触的偏转，可以通过改变偏转线圈电流大小、方向，使磁场力发生改变，实现电子束的偏转扫描。

1  偏转系统的组成及工作原理

真空电子束焊接设备电子枪内部有两个偏转系统。一个是位于束源段内的合轴系统，另一个偏转系统位于聚焦线圈的下方。合轴系统是用于调整栅极到聚焦线圈中心轴电子束的偏移。特别是直热式阴极加热会产生磁场，这个磁场会轻微的使发射的电子束偏移，需要通过合轴系统进行校正。偏转系统可以用于电子束调整和特殊焊接处理，比如使用静态偏转功能可将电子束偏离轴线方向一定角度，实现特殊角度焊缝的焊接。使用动态偏转可以实现电子束多种函数波形扫描，根据函数发生器生成的波形电子束被扫描成圆、椭圆、半圆等多种图形。

偏转系统的4个线圈分别被绕在一个铁环上，相对的两个线圈组成一组。电流流过线圈产生磁场，当电子束穿过偏转系统磁场时，在磁场力的作用下偏转一个固定的角度，因此可以通过改变线圈电流大小、方向来改变电子束偏转角度的大小和方向。

2  电子束偏转功能的应用

2.1  电子束偏转在焊接上的应用

电子束静态偏转主要应用在特殊结构的零件焊接中，当电子束无法直接对准焊缝，可通过静态偏转一定角度轻松实现焊接，同时应用电子束静态偏转功能可有效简化工装和焊接工序。

电子束动态偏转也称为函数扫描，一般应用比较多的是采用椭圆或圆函数扫描功能焊接厚大零件，当电子束在动态偏转磁场的作用下做高速旋转运动，可使熔池不断搅拌，有利于焊接过程中气体杂质的排出，去除导致疏松的易挥发物质，减少焊缝缺陷，极大提高了厚大零件的焊接质量。

2.2  电子束偏转在其它方面的應用

1、利用静态偏转减少电子枪污染

由于在焊接过程中会产生大量的金属蒸汽，电子枪很容易被污染，进而造成高压放电等影响焊接质量的事故。静态偏转功能可使电子束偏转一定角度，让焊缝偏离电子束通道中心，避免两者垂直相对，这样可有效减少金属蒸汽直接窜入电子枪室内，降低金属蒸汽对电子枪室的污染，减少高压放电。

2、  利用动态偏转准确聚焦

焦点位置是电子束焊接中影响焊缝的关键因素之一，不同的焦点位置决定了束流到达工件表面时的能量分布，直接影响到电子束的穿透力和焊缝宽度。电子束在工件表面聚焦的常规做法是：发射小束流到工件表面形成束斑，调整聚焦电流将束斑汇聚为一个最小最亮的圆点，聚焦状态调整的好坏与操作工个人因素有关。利用函数扫描功能可有效减少人为因素的影响，准确、方便的找到电子束焦点。

3  偏转系统故障分析

3.1  合轴问题

英国CVE真空电子束焊设备出现焊缝焊偏现象。起弧束流为9mA时，束斑能够对准焊缝，焊接正常，当运行至14mA束流段时，出现束斑偏离焊缝现象。

故障分析：更换阴极灯丝后，安装位置会有一定变化，因此不能保证从束源段出来的电子束恰好通过聚焦线圈的中心。电子束偏离轴心，束斑截面的中心将从焦点位置移走，会出现使用较小的束流对准的焊缝，当增加焊接束流后，束斑将不对在焊缝上。因此，需要借助合轴系统将电子束与聚焦线圈中心调整为同轴。合轴良好的电子束产生的是一组同心圆，能够保证束斑与焊缝的对准。

3.2  函数扫描故障

德国IGM真空电子束焊设备函数扫描功能失效。

故障分析：函数发生器接收CNC发出的指令输出需要的扫描偏转信号，偏转信号经M60信号放大单元进行放大处理，最终驱动偏转线圈生成电磁场，实现电子束扫描偏转焊接。根据控制电路分析，函数扫描功能失效的原因有：（1）CNC故障，没有发送偏转信号到函数发生器;（2）函数信号发生器故障，没有输出信号到放大器单元;（3）信号放大器故障;（4）偏转线圈故障。

本着由易到难的原则进行检查，首先测量偏转线圈电阻及对地电阻，确定偏转线圈正常;其次，执行函数扫描程序，测量CNC及函数发生器均有偏转信号输出，而偏转线圈上无电压信号，可以判断故障部位为信号放大单元。检查发现信号放大电路板上1.6A，250V保险烧断，更换保险，并对其他电气元件进行测量，发现并在变压器初级上的KT1800电容击穿短路，更换电容后偏转扫描控制电路运行正常，函数扫描功能恢复。

4  结束语

偏转系统是真空电子束焊接设备的重要组成部分，生产焊接时合理的应用偏转功能，不但可以减少电子枪污染，预防高压放电，而且对提升零件的焊接质量有重要意义。同时，本文对真空电子束焊接设备偏转系统结构和工作原理以及故障问题的分析，希望对维修人员在维修偏转系统故障时能够有所帮助。

参考文献：

[1]IGM真空电子束焊技术资料

[2]王西昌，赵海燕.新技术新工艺[J]. 数字技术与机械加工工艺装备，2008，10