CN106981410A - 大功率宽幅电子束偏转扫描装置 - Google Patents

Abstract

一种大功率宽幅电子束偏转扫描装置，该装置采用两个独立的线圈，一个用以产生电子束偏转磁场的偏转线圈，另一个用于产生高频扫描磁场、分别实现电子束偏转功能和扫描功能的扫描线圈；所述的偏转线圈由偏转电源提供电源，所述的扫描线圈由扫描电源提供电源。利用独立的偏转线圈和扫描线圈分开的结构，解决了传统单线圈结构难以实现30kw以上大功率300mm以上宽幅电子束偏转扫描加工的难题，并可通过CNC系统编程设定合成扫描轨迹及复杂工件加工，可用于大功率电子束焊机、电子束熔炼炉、电子束三维打印及其电子束表面处理等大功率电子束加工设备。

Description

大功率宽幅电子束偏转扫描装置

技术领域

本发明涉及一种电子束偏转扫描装置，特别涉及一种能够实现大功率宽幅电子束偏转扫描加工的装置，属于大功率电子束加工领域。

背景技术

传统的电子束偏转扫描系统是在同一个环形铁芯上绕制x方向和y方向偏转线圈，通过在偏转线圈上加上直流电压信号使电子束产生偏转，直流电压信号的幅值决定电子束偏转的角度大小；再在偏转线圈上叠加一个交流信号，交流信号的幅值决定电子束扫描的幅度；交流信号的频率决定了电子束扫描的快慢。这样的偏转扫描系统对于常规的30kw以内的小功率、2khz的低频、100mm以内的窄幅电子束扫描系统是合适的。

对比文件1，申请号为201310346506. 3的中国专利文献中公开了一种用于电子束加工的电磁偏转扫描线圈结构和绕制方法，提供一种磁场分布均匀、涡流损耗低的用于电子束加工的电磁偏转扫描线圈，减小了线圈的尺寸和重量，节约了制造成本。适用于电子束焊接设备等小功率电子束加工场合，该扫描线圈是在同一铁芯上绕制偏转线圈，同时实现偏转和扫描功能。

对比文件2，申请号为201510814394.9的中国专利文献中公开了一种能够实现电子束宽幅扫描的控制装置、方法以及能够实现电子束宽幅扫描的增材制造设备，使用了一种像散线圈，用以产生消像散磁，通过产生的消像散磁场来控制像散程度；不仅可以通过改变聚焦线圈电流来使电子束良好聚焦，还可以通过改变消像散线圈电流来消除电子束的像散，使得束斑仍然保持较高质量。该发明也是在同一铁芯上绕制偏转线圈，同时实现偏转和扫描功能。适合功率不大于3kw的电子束加工设备。

随着电子束加工技术的不断发展，电子束加工功率要求增大到30-300kw，扫描频率也要增加到3-30khz以上，扫描宽度增加到100mm-300mm。这样的工况条件，常规的偏转扫描系统已不能满足电子束加工装备的需求。具体表现在以下方面：首先，功率的增加使得电子束流增加和加速电压增加，其中电子束流增加意味着电子束束斑面积增加，要求偏转线圈直径增加，而偏转线圈直径增加势必导致偏转磁场不均匀，这样容易导致部分电子发散而打到电子枪体下部，甚至会打到偏转线圈上，造成偏转线圈损坏；加速电压的提高会导致电子束速度增加，要达到同样的偏转角度就要求提供更大的偏转功率，而偏转功率的加大，会使偏转线圈工作温度增加，对偏转线圈绝缘不利。其次，扫描频率增加，意味着线圈电抗增加，产生同样的偏转角度需要的电源电压幅值要求更高，某些场合高电压会达到数千伏，如此高的电压幅值会损坏线圈绝缘。同时铁芯也必须使用高频软磁铁芯，而高频软磁铁芯其导磁率往往很低，这会降低偏转线圈的磁场强度。宽幅扫描需要将电子束偏转的角度增大，也就是偏转扫描的直流分量要求增大，过大的直流分量加在铁芯上会造成铁芯偏磁，使得线圈电感降低，不但会降低偏转磁场强度，还会由于电感非线性而使得电子束扫描能量分布不均匀，影响电子束加工质量。为了解决传统偏转扫描系统不适用于大功率高频宽幅电子束加工需求，本发明的发明人经过不断的实验研究，终于研发出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够实现大功率宽幅电子束偏转扫描加工的装置，利用独立的偏转线圈和扫描线圈分开的结构及其CNC控制系统实现大功率宽幅电子束偏转扫描加工，可用于大功率电子束焊机、电子束熔炼炉、电子束三维打印及其电子束表面处理等大功率电子束加工设备。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种大功率宽幅电子束偏转扫描装置，该装置采用两个独立的线圈，一个用以产生电子束偏转磁场的偏转线圈1，另一个用于产生高频扫描磁场、分别实现电子束偏转功能和扫描功能的扫描线圈2；所述的偏转线圈1由偏转电源3提供电源，所述的扫描线圈2由扫描电源4提供电源。

所述的大功率宽幅电子束偏转扫描装置，该装置包括：用于编制数控程序的上位控制计算机5、下位可编程控制器（PLC）6；所述的偏转线圈1包含偏转线圈铁芯1-1、x方向偏转线圈1-2以及y方向偏转线圈1-3，所述的扫描线圈2包含扫描线圈铁芯2-1、x方向扫描线圈2-2以及y方向扫描线圈2-3；所述的偏转电源3给x方向偏转线圈1-2和y方向偏转线圈1-3供电，所述的扫描电源4给x方向扫描线圈2-2和y方向扫描线圈2-3供电；所述的上位控制计算机5通过通讯总线连接所述的下位可编程控制器（PLC）6，所述的下位可编程控制器（PLC）6将数字信号转换成模拟信号并将控制信号输出到所述的偏转电源3和所述的扫描电源4，所述的偏转电源3将偏转电流接入到所述的偏转线圈1，实现电子束偏转；所述的扫描电源4将扫描电流接入到所述的扫描线圈2，实现电子束扫描；所述的偏转线圈1和所述的扫描线圈2装在电子枪聚焦线圈7下面，所述的偏转线圈1安装在所述的扫描线圈2上面。

所述的大功率宽幅电子束偏转扫描装置，所述的偏转线圈1与所述的扫描线圈2之间的匝数比为5:1至10:1之间。

所述的大功率宽幅电子束偏转扫描装置，所述的x方向偏转线圈1-2与所述的y方向偏转线圈1-3之间的匝数比为1：1，所述的x方向扫描线圈2-2与所述的y方向扫描线圈2-3之间的匝数比为1：1。

所述的大功率宽幅电子束偏转扫描装置，当电子束进入所述的偏转线圈1之后，电子在偏转磁场的作用下，偏离中心线一个±15°的角度；电子束进入所述的扫描线圈2之后，在扫描交流磁场的作用下，按照程序设定的扫描图形及频率实现重复扫描，从而实现电子束扫描加工。

所述的大功率宽幅电子束偏转扫描装置，所述的偏转线圈1的偏转线圈铁芯1-1选用导磁率高、机械强度好的玻莫合金铁芯材料；所述的扫描线圈2的扫描线圈铁芯2-1选用高频软磁铁芯。

所述的大功率宽幅电子束偏转扫描装置，所述的偏转线圈1的x方向偏转线圈（1-2）和y方向偏转线圈（1-3）分别绕制在铁芯1-1上，偏转线圈1的安匝数在800-1000安匝的范围内，匝数范围采用1600-2000匝，这样可以减小励磁电流，使得励磁电流不超过0.5安培，减小线圈发热量。所述的大功率宽幅电子束偏转扫描装置，所述的扫描线圈（2）x方向扫描线圈（2-2）和y方向扫描线圈（2-3）分别绕制在铁芯上，扫描线圈（2）的安匝数在500-800安匝范围内，匝数范围采用在200—400之间，可以降低高频电抗，减小线圈体积，多出来的空间可以增加线圈的绝缘层厚度，从而提高扫描线圈（2）承受高电压的能力，线圈耐压等级可以达到10kV。

使用本发明的有益效果在于：利用独立的偏转线圈和扫描线圈分开的结构，解决了传统单线圈结构难以实现大功率宽幅电子束偏转扫描加工的难题，并可通过CNC系统编程设定合成扫描轨迹及复杂工件加工，可用于大功率电子束焊机、电子束熔炼炉、电子束三维打印及其电子束表面处理等大功率电子束加工设备。由于采用双线圈结构，可以很方便根据各种不同应用场合的需要设定各种不同的扫描波形、扫描宽度以及扫描频率。因为偏转线圈分别有x方向偏转线圈和y方向偏转线圈两组互相垂直的线圈，可以实现x方向和与之垂直的y方向的电子束偏转；扫描线圈也有x方向扫描线圈和y方向扫描线圈两组线圈，可以实现x方向和与之垂直的y方向的电子束扫描。每组线圈提供独立的供电电源，可以通过计算机控制系统设定每个电源的输入，从而调节电子束位置及移动速度，可以通过标准CNC数控语言编程来实现电子束扫描加工轨迹及过程控制，并通过四个方向不同的组合实现复杂工件的电子束扫描加工。

附图说明

图1 是本发明所述的大功率宽幅电子束偏转扫描装置的示意图；

图2 示出了运用了本发明的电子束扫描加工的一个实施例；

图3 电子枪下部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构和工作过程进行详细描述。

如图1、图3所示，为本发明所述的大功率宽幅电子束偏转扫描装置、电子枪下部的结构示意图；一种大功率宽幅电子束偏转扫描装置，该装置采用两个独立的线圈，一个用以产生电子束偏转磁场的偏转线圈1，另一个用于产生高频扫描磁场、分别实现电子束偏转功能和扫描功能的扫描线圈2；所述的偏转线圈1由偏转电源3提供电源，所述的扫描线圈2由扫描电源4提供电源；该装置包括：用于编制数控程序的上位控制计算机5、下位可编程控制器（PLC）6；所述的偏转线圈1包含偏转线圈铁芯1-1、x方向偏转线圈1-2以及y方向偏转线圈1-3，所述的扫描线圈2包含扫描线圈铁芯2-1、x方向扫描线圈2-2以及y方向扫描线圈2-3；所述的偏转电源3给x方向偏转线圈1-2和y方向偏转线圈1-3供电，所述的扫描电源4给x方向扫描线圈2-2和y方向扫描线圈2-3供电；所述的上位控制计算机5通过通讯总线连接所述的下位可编程控制器（PLC）6，所述的下位可编程控制器（PLC）6将数字信号转换成模拟信号并将控制信号输出到所述的偏转电源3和所述的扫描电源4，所述的偏转电源3将偏转电流接入到所述的偏转线圈1，实现电子束偏转；所述的扫描电源4将扫描电流接入到所述的扫描线圈2，实现电子束扫描；所述的偏转线圈1和所述的扫描线圈2装在电子枪聚焦线圈7下面，所述的偏转线圈1安装在所述的扫描线圈2上面；所述的偏转线圈1与所述的扫描线圈2之间的匝数比为5:1至10:1之间；所述的x方向偏转线圈1-2与所述的y方向偏转线圈1-3之间的匝数比为1：1，所述的x方向扫描线圈2-2与所述的y方向扫描线圈2-3之间的匝数比为1：1；当电子束进入所述的偏转线圈1之后，电子在偏转磁场的作用下，偏离中心线一个±15°的角度；电子束进入所述的扫描线圈2之后，在扫描交流磁场的作用下，按照程序设定的扫描图形及频率实现重复扫描，从而实现电子束扫描加工；所述的偏转线圈1的偏转线圈铁芯1-1选用导磁率高、机械强度好的玻莫合金铁芯材料；所述的扫描线圈2的扫描线圈铁芯2-1选用高频软磁铁芯。

在图1中，上位控制计算机5实现数控加工语言编程，可以根据设备加工需要，将加工工序和数控程序预先输入计算机，电子束加工设备将按照数控程序规定的工艺进行加工。上位控制计算机5通过通讯总线连接下位可编程控制器（PLC）6，下位可编程控制器（PLC）6将数字信号转换成模拟信号并将控制信号输出到偏转电源3和扫描电源4。偏转电源3将偏转电流接入到偏转线圈1，实现电子束偏转。扫描电源4将扫描电流接入到扫描线圈2，实现电子束扫描。偏转线圈1和扫描线圈2装在电子枪聚焦线圈下面。偏转线圈1装在扫描线圈2上面，当电子束进入偏转线圈1之后，电子在偏转磁场的作用下，偏离中心线一个角度，本发明的偏转扫描装置偏转角度可以达到±15°，能够实现宽幅电子束加工。电子束进入扫描线圈2之后，在扫描交流磁场的作用下，按照程序设定的扫描图形及频率实现重复扫描，从而实现电子束扫描加工。

偏转线圈主要实现电子束偏转功能，由于偏转磁场主要用于电子束斑定位，提供的电流主要是直流分量，电子束移动的频率不需要太高频率，可以选用导磁率高、机械强度好的玻莫合金铁芯材料。x方向偏转线圈和y方向偏转线圈分别绕制在铁芯上，偏转线圈在一定安匝数的情况下，可以使用较高匝数，而减小励磁电流。这样偏转功率可以减小，从而降低线圈发热量。

扫描线圈主要实现电子束扫描功能，由于扫描磁场主要用于电子束做周期性运动，提供的主要是交流分量，电子束移动频率往往很高，有的场合要求频率达到30khz，所以可以选用高频软磁铁芯。x方向扫描线圈和y方向扫描线圈分别绕制在铁芯上，扫描线圈在一定安匝数的情况下，可以使用较低匝数，以降低高频电抗，同时减小线圈体积，增大励磁电流，这样扫描功率虽然增加，但由于体积减少，有足够的空间来增加线圈绝缘强度，从而提高扫描线圈承受高电压的能力，线圈耐压等级可以达到10kV，从而满足大功率宽幅高频电子束扫描加工的需要。

本发明利用独立的偏转线圈和扫描线圈及其CNC控制系统实现大功率宽幅电子束偏转扫描加工，可用于大功率电子束焊机、电子束熔炼炉、电子束三维打印及其电子束表面处理等大功率电子束加工设备。

本发明采用双线圈结构分别实现电子束偏转和扫描功能，偏转线圈产生偏转磁场，实现电子束偏转功能，偏转磁场主要用于电子束斑定位，控制电子位于加工点，扫描线圈产生扫描磁场，实现电子束扫描功能，扫描磁场主要用于控制电子束做周期性运动，让电子束能按预定程序设定在工件上运动并加工工件。双线圈结构能有效解决传统单线圈偏转系统在大功率高频宽幅扫描加工场合存在的技术缺陷，首先，功率的增加使得电子束流增加和加速电压增加，其中电子束流增加意味着电子束束斑面积增加，要求偏转线圈直径增加，而值要求更高，某些场合高电压会达到数千伏，如此高的电压幅值会损坏线圈绝偏转线圈直径增加势必导致偏转磁场不均匀，这样容易导致部分电子发散而打到电子枪体下部，甚至会打到偏转线圈上，造成偏转线圈损坏；加速电压的提高会导致电子束速度增加，要达到同样的偏转角度就要求提供更大的偏转功率，而偏转功率的加大，会使偏转线圈工作温度增加，对偏转线圈绝缘不利。双线圈结构偏转扫描系统结构由于其偏转线圈采用导磁率高的铁芯材料，在不增加铁芯体积的条件下，可以通过增加线圈匝数的方式来增加偏转磁场强度，且空间磁场的均匀性也可以提高，不用靠增加励磁功率的方式来增大磁场强度，因而也不会导致线圈过热。其次，扫描频率增加，意味着线圈电抗增加，产生同样的偏转角度需要的电源电压幅缘。同时铁芯也必须使用高频软磁铁芯，而高频软磁铁芯其导磁率往往很低，这会降低偏转线圈的磁场强度。采用双线圈结构，偏转线圈只提供低频的偏转磁场，可以实现电子束大角度宽幅偏转，扫描线圈采用软磁材料铁芯，能适合扫描频率30khz-50khz的扫描频率。且扫描线圈匝数可以相对减少，有足够的空间绕制高强度绝缘材料，以提高高频线圈耐压等级，线圈耐压强度可以达到10kV。将偏转线圈与扫描线圈分开，能有效解决单线圈高低频特性不能兼顾的矛盾。第三、在传统单线圈结构偏转扫描系统中，宽幅扫描需要将电子束偏转的角度增大，也就是偏转扫描的直流分量要求增大，过大的直流分量加在铁芯上会造成铁芯偏磁，使得线圈电感降低，不但会降低偏转磁场强度，还会由于电感非线性而使得电子束扫描能量分布不均匀，影响电子束加工质量。采用双线圈结构偏转扫描系统，偏转线圈用于电子束大角度宽幅偏转，线圈匝数提高可以增大线圈电感，由于偏转磁场不需要快速改变方向，所以存在直流偏磁不会影响线圈的感抗。而扫描线圈只需要控制电子束做高频扫描，不需要控制电子束做大幅度偏转，不存在直流分量，所以扫描线圈工作点能始终工作在磁化曲线的线性区。这样能保证电子束扫描能量分布均匀，从而保证电子束加工质量。

在图2所示实施例中，发明的双线圈大功率电子束宽幅偏转扫描装置应用于电子束表面改性加工设备中。电子束表面改性技术作为一种新兴的技术，有着传统表面处理技术所没有的优点。对于模具的表面改性来说，电子束可以精确的控制表面改性位置及能量。具有清洁、高效、低能耗的优点。且电子束表面改性过程中材料表面瞬间升温、冷却，改性效果要明显优于常规热处理。目前，将电子束表面改性技术应用于模具工业在我国仍处于研究阶段，距离工业化水平仍有很大的距离。图2所示为某军工冲压模具的外形图，在截面积为800mmx600mm的区域内，分布着各种不同直径的圆形冲压头，为了提高模具强度，需要在每个冲压头表面涂覆一层难熔金属合金层，工艺要求对每个冲压头进行电子束表面改性，由于冲压头分布广、数量多、且大小规格不一，决定采用双线圈宽幅电子束偏转扫描装置进行编程加工，先将电子束偏转到冲压头所在的中心位置，再利用电子束圆形扫描波形对冲压头进行快速扫描加热，扫描半径、时间及频率等参数可以通过CNC数控程序编程设定。电子束加工区域可以覆盖整个工件，要求电子束偏转角度达到±15°，电子束加工功率达到80kW，本发明提供的大功率宽幅偏转扫描装置能满足该应用场合的需要。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大功率宽幅电子束偏转扫描装置，其特征在于，该装置采用两个独立的线圈，一个用以产生电子束偏转磁场的偏转线圈（1），另一个用于产生高频扫描磁场、分别实现电子束偏转功能和扫描功能的扫描线圈（2）；所述的偏转线圈（1）由偏转电源（3）提供电源，所述的扫描线圈（2）由扫描电源（4）提供电源。

2.根据权利要求1所述的大功率宽幅电子束偏转扫描装置，其特征在于，该装置包括：用于编制数控程序的上位控制计算机（5）、下位可编程控制器PLC（6）；所述的偏转线圈（1）包含偏转线圈铁芯（1-1）、x方向偏转线圈（1-2）以及y方向偏转线圈（1-3），所述的扫描线圈（2）包含扫描线圈铁芯（2-1）、x方向扫描线圈（2-2）以及y方向扫描线圈（2-3）；所述的偏转电源（3）给x方向偏转线圈（1-2）和y方向偏转线圈（1-3）供电，所述的扫描电源（4）给x方向扫描线圈（2-2）和y方向扫描线圈（2-3）供电；

所述的上位控制计算机（5）通过通讯总线连接所述的下位可编程控制器PLC（6），所述的下位可编程控制器PLC（6）将数字信号转换成模拟信号并将控制信号输出到所述的偏转电源（3）和所述的扫描电源（4），所述的偏转电源（3）将偏转电流接入到所述的偏转线圈（1），实现电子束偏转；所述的扫描电源（4）将扫描电流接入到所述的扫描线圈（2），实现电子束扫描；所述的偏转线圈（1）和所述的扫描线圈（2）装在电子枪聚焦线圈（7）下面，所述的偏转线圈（1）安装在所述的扫描线圈（2）上面。

3.根据权利要求1所述的大功率宽幅电子束偏转扫描装置，其特征在于，所述的偏转线圈（1）与所述的扫描线圈（2）之间的匝数比为5:1至10:1之间。

4.根据权利要求2所述的大功率宽幅电子束偏转扫描装置，其特征在于，所述的x方向偏转线圈（1-2）与所述的y方向偏转线圈（1-3）之间的匝数比为1：1，所述的x方向扫描线圈（2-2）与所述的y方向扫描线圈（2-3）之间的匝数比为1：1。

5.根据权利要求1或2所述的大功率宽幅电子束偏转扫描装置，其特征在于，当电子束进入所述的偏转线圈（1）之后，电子在偏转磁场的作用下，偏离中心线一个±15°的角度；电子束进入所述的扫描线圈（2）之后，在扫描交流磁场的作用下，按照程序设定的扫描图形及频率实现重复扫描，从而实现电子束扫描加工。

6.根据权利要求1或2所述的大功率宽幅电子束偏转扫描装置，其特征在于，所述的偏转线圈（1）的偏转线圈铁芯（1-1）选用导磁率高、机械强度好的玻莫合金铁芯材料；所述的扫描线圈（2）的扫描线圈铁芯（2-1）选用高频软磁铁芯。

7.根据权利要求2所述的大功率宽幅电子束偏转扫描装置，其特征在于，所述的偏转线圈（1）的x方向偏转线圈（1-2）和y方向偏转线圈（1-3）分别绕制在铁芯上，偏转线圈（1）在800-1000安匝数的情况下，匝数可以使用1600-2000匝，这样可减小励磁电流，使得励磁电流不超过0.5安培，从而减少线圈发热量。

8.根据权利要求2所述的大功率宽幅电子束偏转扫描装置，其特征在于，所述的扫描线圈（2）x方向扫描线圈（2-2）和y方向扫描线圈（2-3）分别绕制在铁芯上，扫描线圈（2）在500-800安匝数的情况下，可以使用较低的匝数，匝数范围在200—400匝，以降低高频电抗，减小线圈体积，增大励磁电流，提高扫描线圈（2）承受高电压的能力，线圈耐压等级可以达到10kV。