CN104827177A - 一种低电压高束流电子束真空焊接装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种低电压高束流电子束真空焊接装置及方法，它涉及一种真空焊接装置及方法，具体涉及一种低电压高束流电子束真空焊接装置及方法。本发明为了解决现有电子束焊前准备复杂，且运行成本较高的问题。本发明包括空心阴极、阳极、加速电极、轴向约束磁场、聚焦机构、放电电源、加速电源、真空室、焊接平台和绝缘套，轴向约束磁场、绝缘套、加速电极、聚焦机构、焊接平台由上至下依次设置在真空室内，空心阴极插装在轴向约束磁场内，阳极设置在空心阴极与加速电极之间，且阳极位于空心阴极的正下方，工件放置在工作平台上，放电电源的负极与空心阴极连接，放电电源的正极和加速电源的负极与阳极连接，加速电源与加速电极连接。本发明用于焊接领域。

Description

一种低电压高束流电子束真空焊接装置及方法
技术领域
本发明涉及一种真空焊接装置及方法，具体涉及一种低电压高束流电子束真空焊接装置及方法，属于焊接领域。
背景技术
真空环境由于有害气体的含量极少，被认为是一种较为理想的熔池保护方式。吴林,冯吉才,高洪明,等.空间焊接技术[J].航空制造技术,2005,5:32-35.认为随着国际太空领域研究的快速发展，空间站的修复和焊接的材料连接技术需求不断增加，因此，对于真空环境下的熔化焊方法的研究具有重要意义。目前，获得广泛应用的真空保护环境下的焊接方法主要包括：空心阴极真空电弧(Hollow Cathode Vacuum Arc，简称HCVA)焊、电子束焊及激光焊，不同焊接方法具有不同特点。
名称为“ARC WELDING METHOD USING HOLLOW ELECTRODE(日本专利号：2003170273A，申请日：2001年12月05日)”的专利公布了一种空心阴极真空电弧焊枪。Guirao J,Rodriguez E,Bayon A,et al.A study of the influence of electron beam weldingsequences on the ITER vacuum vessel prototype VATS.Fusion engineering and design,2011,12,86(12):2805-2811，实现了真空容器的电子束焊接。S Katayama,Y Kobayashi,MMizutani,et al.Effect of vacuum on penetration and defects in laser welding.Journal of LaserApplications,2001,10,13(5):187-192，研究发现真空环境下的激光焊熔化深度高于大气环境的熔深。
电子束焊接具有能量密度高、生产效率高的特点，但是由于电子束流斑点直径小，对焊接接头装配间隙的精度要求高，电子束焊前准备复杂，由于加速电压高导致这种焊接方法存在运行成本高，存在X射线辐射的不足，由于抽真空导致这种焊接方法的生产效率低。Reisgen U,Schleser M,Abdurakhmanov,et al.Measuring of plasma properties induced bynon-vacuum electron beam welding.Physics of plasmas,2012,1,19(1):1-7.采用非真空电子焊方法降低抽真空工序而产生的生产成本，研究了电子束碰撞产生的等离子体特性。
HCVA具有电弧能量集中、真空保护及电弧长度长的特点，HCVA的焊接效率高于惰性气体钨极氩弧焊(GTAW)。但是由于HCVA焊接方法采用电弧作为焊接热源，这种焊接方法的焊接熔化效率低于电子束焊接方法。Nerovnyi V M,Khakhalev A D.Hollow cathode arcdischarge as an effective energy source for welding processes in vacuum.J Appl Phys,2008,41:1-8.认为当阴极口区域的电流密度超过450–500A cm-2时，在外部轴向等离子体中出现12-22eV的高能电子，放电能量效率为放电电压0.7-0.86倍，才能够具有高效热源特点。
发明内容
本发明为解决现有电子束焊前准备复杂，且运行成本较高的问题，进而提出一种低电压高束流电子束真空焊接装置及方法。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括空心阴极、阳极、加速电极、轴向约束磁场、聚焦机构、放电电源、加速电源、真空室、焊接平台和绝缘套，轴向约束磁场、绝缘套、加速电极、聚焦机构、焊接平台由上至下依次设置在真空室内，空心阴极插装在轴向约束磁场内，阳极设置在空心阴极与加速电极之间，且阳极位于空心阴极的正下方，工件放置在工作平台上，放电电源的负极与空心阴极连接，放电电源的正极和加速电源的负极与阳极连接，加速电源与加速电极连接。
本发明所述方法的具体步骤如下：
步骤一、通过真空抽气机构将真空室内的空气抽出；
步骤二、将工作气体注入空心阴极内，空气阴极、阳极、放电电源组成电弧放电回路，并获得电子枪所需高密度电弧等离子体；
步骤三、轴向约束磁场约束带电粒子运动轨迹，获得压缩真空电弧等离子体；
步骤四、阳极、加速电极、加速电源组成电子引出系统，阳极作为电子引出系统的阴极；
步骤五、聚焦机构压缩电子流的电子运动轨迹，获得低电压、高速流密度的电子束流；
步骤六、电子束流与工件相互作用实现工件的熔化，随着焊接平台的移动，工件获得焊接接头。
本发明的有益效果是：本发明提出了在真空环境下利用高能量利用效率的高束流、低加速电压的电子束焊接方法，在保证高焊接生产效率的前提，解决电子束焊前准备复杂和焊接成本高的问题。为了获得高束流的电子束，采用空心阴极真空电弧放电等离子体作为电子发射阴极，采用轴向约束磁场保证电子枪的高绝缘强度，在低加速电压时获得高束流电子束。这种利用等离子体阴极电子发射的电子枪具有发射束流密度高、工作环境要求低及使用寿命长的特点。本发明是真空保护的熔化焊接方法，它的熔化深度和焊接生产效率高于HCVA焊。
附图说明
图1是本发明所述装置的整体结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种低电压高束流电子束真空焊接包括空心阴极1、阳极2、加速电极3、轴向约束磁场5、聚焦机构6、放电电源7、加速电源8、真空室9、焊接平台12和绝缘套14，轴向约束磁场5、绝缘套14、加速电极3、聚焦机构6、焊接平台12由上至下依次设置在真空室9内，空心阴极1插装在轴向约束磁场5内，阳极2设置在空心阴极1与加速电极3之间，且阳极2位于空心阴极1的正下方，工件4放置在工作平台12上，放电电源7的负极与空心阴极1连接，放电电源7的正极和加速电源8的负极与阳极2连接，加速电源8与加速电极3连接。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种低电压高束流电子束真空焊接还包括抽气机构10，抽气机构10与真空室9的出气口连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种低电压高束流电子束真空焊接装置的空心阴极1是钽管或钼管制作的。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种利用具体实施方式一所述装置进行低电压高束流电子束真空焊接的方法是通过如下步骤实现的：
步骤一、通过真空抽气机构10将真空室9内的空气抽出；
步骤二、将工作气体13注入空心阴极1内，空气阴极1、阳极2、放电电源7组成电弧放电回路，并获得电子枪所需高密度电弧等离子体；
步骤三、轴向约束磁场5约束带电粒子运动轨迹，获得压缩真空电弧等离子体；
步骤四、阳极2、加速电极3、加速电源8组成电子引出系统，阳极2作为电子引出系统的阴极；
步骤五、聚焦机构6约束电子流的电子运动轨迹，获得低电压、高速流密度的电子束流11；
步骤六、电子束流11与工件4相互作用实现工件4的熔化，随着焊接平台12的移动，工件4获得焊接接头。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种低电压高束流电子束真空焊接方法的步骤二中的工作气体13是氩气或氦气。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种低电压高束流电子束真空焊接方法的步骤三中轴向约束磁场5为永磁结构，磁场强度为50mT。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种低电压高束流电子束真空焊接方法的步骤四中阳极2内缩至阳极桶内部20mm。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种低电压高束流电子束真空焊接方法的步骤四中阳极2是不锈钢或石墨制作的，阳极2中心孔直径为5mm～25mm。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
实施例一
当工件4是1Cr18Ni9Ti不锈钢时，
步骤一、通过真空抽气机构10将真空室9内的空气抽出；
步骤二、将工作气体13注入空心阴极1内，空气阴极1、阳极2、放电电源7组成电弧放电回路，并获得电子枪所需高密度电弧等离子体；
步骤三、轴向约束磁场5约束带电粒子运动轨迹，获得压缩真空电弧等离子体；
步骤四、阳极2、加速电极3、加速电源8组成电子引出系统，阳极2作为电子引出系统的阴极，引出电压为550V；
步骤五、聚焦机构6约束电子流的电子运动轨迹，获得低电压、高速流密度的电子束流11，电子束流11为5.0A；
步骤六、电子束流11与工件4相互作用实现1Cr18Ni9Ti不锈钢的融化和凝固，随着焊接平台12的移动，1Cr18Ni9Ti不锈钢获得焊接接头，焊接速度为200mm/min，焊缝正面融化宽度为6.3mm，背面熔宽1.5mm。
实施例二
当工件4是5083铝合金时，
步骤一、通过真空抽气机构10将真空室9内的空气抽出；
步骤二、将工作气体13注入空心阴极1内，空气阴极1、阳极2、放电电源7组成电弧放电回路，并获得电子枪所需高密度电弧等离子体；
步骤三、轴向约束磁场5约束带电粒子运动轨迹，获得压缩真空电弧等离子体；
步骤四、阳极2、加速电极3、加速电源8组成电子引出系统，阳极2作为电子引出系统的阴极，引出电压为500V；
步骤五、聚焦机构6压缩电子流的电子运动轨迹，获得低电压、高速流密度的电子束流11，电子束流11为5.0A；
步骤六、电子束流11与工件4相互作用实现5083铝合金的熔化，随着焊接平台12的移动，5083铝合金获得焊接接头，焊接速度为300mm/min，焊缝正面融化宽度为10.0mm。
实施例三
当工件4是Q235钢时，
步骤一、通过真空抽气机构10将真空室9内的空气抽出；
步骤二、将工作气体13注入空心阴极1内，空气阴极1、阳极2、放电电源7组成电弧放电回路，并获得电子枪所需高密度电弧等离子体；
步骤三、轴向约束磁场5约束带电粒子运动轨迹，获得压缩真空电弧等离子体；
步骤四、阳极2、加速电极3、加速电源8组成电子引出系统，阳极2作为电子引出系统的阴极，引出电压为430V；
步骤五、聚焦机构6压缩电子流的电子运动轨迹，获得低电压、高速流密度的电子束流11，电子束流11为3.5A；
步骤六、电子束流11与工件4相互作用实现Q235钢的熔化，随着焊接平台12的移动，Q235钢获得焊接接头，焊接速度为200mm/min，焊缝正面融化宽度为7.3mm，焊缝熔深为4.0mm。

Claims (8)

1.一种低电压高束流电子束真空焊接装置，其特征在于：所述一种低电压高束流电子束真空焊接包括空心阴极(1)、阳极(2)、加速电极(3)、轴向约束磁场(5)、聚焦机构(6)、放电电源(7)、加速电源(8)、真空室(9)、焊接平台(12)和绝缘套(14)，轴向约束磁场(5)、绝缘套(14)、加速电极(3)、聚焦机构(6)、焊接平台(12)由上至下依次设置在真空室(9)内，空心阴极(1)插装在轴向约束磁场(5)内，阳极(2)设置在空心阴极(1)与加速电极(3)之间，且阳极(2)位于空心阴极(1)的正下方，工件(4)放置在工作平台(12)上，放电电源(7)的负极与空心阴极(1)连接，放电电源(7)的正极和加速电源(8)的负极与阳极(2)连接，加速电源(8)与加速电极(3)连接。
2.根据权利要求1所述一种低电压高束流电子束真空焊接装置，其特征在于：所述一种低电压高束流电子束真空焊接还包括抽气机构(10)，抽气机构(10)与真空室(9)的出气口连接。
3.根据权利要求1所述一种低电压高束流电子束真空焊接装置，其特征在于：空心阴极(1)是钽管或钼管制作的。
4.一种利用权利要求1所述装置进行低电压高束流电子束真空焊接的方法，其特征在于：所述一种低电压高束流电子束真空焊接方法的具体步骤如下：
步骤一、通过真空抽气机构(10)将真空室(9)内的空气抽出；
步骤二、将工作气体(13)注入空心阴极(1)内，空气阴极(1)、阳极(2)、放电电源(7)组成电弧放电回路，并获得电子枪所需高密度电弧等离子体；
步骤三、轴向约束磁场(5)约束带电粒子运动轨迹，获得压缩真空电弧等离子体；
步骤四、阳极(2)、加速电极(3)、加速电源(8)组成电子引出系统，阳极(2)作为电子引出系统的阴极；
步骤五、聚焦机构(6)约束电子流的电子运动轨迹，获得低电压、高速流密度的电子束流(11)；
步骤六、电子束流(11)与工件(4)相互作用实现工件(4)的熔化，随着焊接平台(12)的移动，工件(4)获得焊接接头。
5.根据权利要求4所述一种低电压高束流电子束真空焊接方法，其特征在于：步骤二中的工作气体(13)是氩气或氦气。
6.根据权利要求4所述一种低电压高束流电子束真空焊接方法，其特征在于：步骤三中轴向约束磁场(5)为永磁结构，磁场强度为50mT。
7.根据权利要求4所述一种低电压高束流电子束真空焊接方法，其特征在于：步骤四中阳极(2)内缩至轴向约束磁场(5)内部20mm。
8.根据权利要求4所述一种低电压高束流电子束真空焊接方法，其特征在于：步骤四中阳极(2)是不锈钢或石墨制作的，阳极(2)中心孔直径为5mm～25mm。
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