CN109216135B - 一种丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置。该装置包括：导丝头、水冷阴极、环形绝缘子、阳极、消像线圈和聚焦线圈，导丝头设在电子枪的内部腔室中，用于将丝材导入电子枪内；水冷阴极设在导丝头的上部外周，与导丝头同轴安装；环形绝缘子设在水冷阴极的下端，与水冷阴极同轴安装；阳极设在环形绝缘子的下端并与其可拆卸连接；一个或者多个消像线圈设在阳极的下端外周，用于产生水平磁场，使运动电子受到洛伦兹力作用指向电子束的轴线；聚焦线圈设在阳极的出束口，且在消像线圈的下端，用于将电子束聚焦成高能量密度的电子束斑，聚焦线圈与导丝头、水冷阴极、阳极和消像线圈同轴安装，实现了丝材与电子束同轴，降低了送丝机构安装难度。

Description

一种丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种输出环形束斑的冷阴极电子枪装置，具体的讲是一种丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置。

背景技术

近些年，国家大力发展绿色制造产业，电子束增材制造是大力发展的技术之一。目前电子束增材制造包括电子束选区熔化增材制造技术和电子束熔丝增材制造技术，这两种技术工作模式差别较大，其中，电子束选区熔化增材制造使用金属粉末作原材料，一般用于小型复杂结构零件的加工。

与当前流行的几种金属零件快速制造技术相比，电子束熔丝增材制造技术的生产效率高，通常用于大型零件的制备。由于选用金属丝材作为原材料，电子束熔丝增材制造技术不仅适用于同质材料金属零件的制备，而且可将不同材质丝材通过逻辑控制分时熔化增材制造，极易实现异质叠层金属结构的制备，并且金属丝材在失重条件下易于约束，有利于该技术在太空增材制造领域的推广应用。

目前，国内外常用于电子束熔丝增材制造技术的电子束源要么是直热式的，要么是间热式的，阴极寿命一般较短，直接影响到电子束熔丝增材制造的质量和加工效率。由于直热式电子枪结构固有的电子束流必须沿着其轴心输出的特点，用于熔丝增材制造的丝材必须从电子枪出束口附近进给，这就需要精密复杂的对中装置将丝材准确送到电子束流位置，增加了设备操作的难度。

现有技术中，电子束熔丝增材制造技术中的送丝装置安装于电子枪外部，丝材在电子枪的束流输出端与束流轴线呈一定角度进给，这便导致电子枪输出端机械尺寸增大，使得较小深孔零件、复杂腔体形状难以成形，进而缩小了额定真空环境下零件成形的最大尺寸。因此，发明人提供了一种丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置。

发明内容

本发明实施例提供了一种丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置，该装置实现了丝材与电子束同轴，降低了送丝机构安装难度，满足了特殊零件对丝材送进角度的要求。

本发明的实施例提出了一种丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置，该装置包括：导丝头、水冷阴极、环形绝缘子、阳极、消像线圈和聚焦线圈。其中，导丝头设置在所述电子枪的内部腔室中，用于将丝材导入所述电子枪内；水冷阴极设在所述导丝头的上部外周，且与所述导丝头同轴安装；环形绝缘子设在所述水冷阴极的下端，且与所述水冷阴极同轴安装；阳极设在所述环形绝缘子的下端并与其可拆卸连接；一个或者多个所述消像线圈设在所述阳极的下端外周，用于产生水平磁场，使运动电子受洛伦兹力作用指向电子束的轴线；聚焦线圈设在所述阳极的出束口，且在所述消像线圈的下端，用于将电子束聚焦成电子束斑，所述聚焦线圈与所述导丝头、所述水冷阴极、所述阳极和所述消像线圈同轴安装。

在第一种可能的实现方式中，沿所述导丝头的中心轴设有导丝管，所述丝材通入所述导丝管中可沿轴线进给，将所述导丝头接地。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述导丝头与所述水冷阴极之间设有绝缘密封件，所述绝缘密封件具有预定强度的耐压强度，所述绝缘密封件与所述导丝头可拆卸连接。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述绝缘密封件上安装有锁紧环，用于使所述绝缘密封件和所述导丝头安装后的紧密锁紧，在所述锁紧环与所述绝缘密封件之间还设有第一密封橡胶圈。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述水冷阴极套接安装在所述绝缘密封件外，所述水冷阴极与所述绝缘密封件之间的安装缝隙中设有第二密封橡胶圈，在所述水冷阴极的底部端面设有安装孔，用于与所述环形绝缘子可拆卸连接。

结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述环形绝缘子采用耐高温陶瓷材料制成，所述环形绝缘子的端面设有与所述水冷阴极的底部端面连接的安装孔，所述环形绝缘子与所述水冷阴极的底部连接间隙之间设有第三密封橡胶圈。

结合上述可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，所述环形绝缘子与所述水冷阴极之间通过螺钉连接，所述环形绝缘子与所述水冷阴极上的安装孔为与所述螺钉相匹配的螺纹孔。

结合上述可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述环形绝缘子通过安装法兰与所述阳极连接安装，在所述环形绝缘子上与所述阳极的连接间隙中设有第四密封橡胶圈，所述阳极接地。

结合上述可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，所述阳极为上宽下窄的锥形夹层结构，在所述阳极的下端设有阳极进水口，在所述阳极的上端设有阳极出水口，所述阳极进水口与所述阳极出水口之间通过所述阳极的夹层腔连通，可用于冷却所述阳极。

结合上述可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，所述水冷阴极的内壁为凹形球面，所述水冷阴极的凹形球面、所述阳极的锥形内表面和所述导丝头的外表面组成放电腔室，所述放电腔室内用于产生等离子体。

结合上述可能的实现方式，在第十种可能的实现方式中，还包括第一聚焦线圈磁轭和第二聚焦线圈磁轭，所述第一聚焦线圈磁轭和所述第二聚焦线圈磁轭相对叠放设置形成的中间空隙用于安装所述聚焦线圈。

结合上述可能的实现方式，在第十一种可能的实现方式中，所述导丝头为上宽下窄的锥形管状结构，在所述导丝头的上端面安装有进水管和出水管，所述进水管伸入所述导丝头的管内部一定距离，用于冷却所述导丝头。

结合上述可能的实现方式，在第十二种可能的实现方式中，所述水冷阴极的上端面设有导气管、负高压引入端以及非闭合的环形冷却水通道，所述导气管通入所述水冷阴极的腔室内，所述环形冷却水道的阴极进水管和阴极出水管均设在所述水冷阴极的端面，所述阴极进水管伸入所述水冷阴极中，所述阴极出水管设在闭合位置处。

结合上述可能的实现方式，在第十三种可能的实现方式中，在所述水冷阴极的外部安装有防护壳体，防护壳体上预留多个安装孔，所述防护壳体的下端与所述阳极安装连接。

综上，本发明实施例的一种丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置，该装置用于电子束熔丝增材制造，通过在电子枪的内部腔室中设置用于导入丝材的导丝头，并且将导丝头与水冷阴极、阳极、聚焦线圈和消像线圈同轴安装设置，实现了丝材与电子束的同轴，降低了送丝机构安装难度，满足特殊零件对丝材送进角度的要求，并能适用于狭小空间结构的成形，大幅提高了熔丝增材制造的灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置的结构示意图。

图中：

1-导丝头；101-进水管；102-导丝管；103-出水管；

2-水冷阴极；201-导气管；202-阴极出水管；203-阴极进水管；204-负高压引入端；205-防护壳体；206-第三密封橡胶圈；207-第二密封橡胶圈；

3-环形绝缘子；4-阳极；401-阳极出水口；402-阳极进水口； 403-第四密封橡胶圈；

5-聚焦线圈；501-第一聚焦线圈磁轭；502-第二聚焦线圈磁轭；

6-安装法兰；7-绝缘密封件；701-锁紧环；702-第一密封橡胶圈；

8-丝材；9-消像线圈。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“上端”、“下端”等指示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“安装”、“设置”应做广义理解，例如，可以是直接安装，也可以通过中间媒介间接安装。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

针对传统热阴极电子束熔丝增材制造技术的阴极寿命短、控制灵活性差、狭小空间成形难度大等不足之处，采用一种冷阴极电子束源，实现丝材沿着环形电子束斑轴线输出，发明人发明了一种新的丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置。

图1是本发明实施例一种电子枪装置的结构示意图。

如图1所示，本发明的一种丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置，该装置包括导丝头1、水冷阴极2、环形绝缘子3、阳极4、消像线圈9和聚焦线圈5，其中，导丝头1设置在电子枪的内部腔室中，用于将丝材8导入电子枪内；水冷阴极2设在导丝头1的上部外周，且与导丝头1同轴安装；环形绝缘子3设在水冷阴极2的下端，且与水冷阴极2同轴安装；阳极4设在环形绝缘子3的下端并与其可拆卸连接；消像线圈9设在阳极4的下端外周，用于产生水平磁场，使运动电子在磁场中受到洛仑磁力指向电子束的轴线；聚焦线圈5设在阳极4的出束口，且在消像线圈9的下端，用于将电子束聚焦成高能密度电子束斑，该聚焦线圈5与导丝头1、水冷阴极2、阳极4和消像线圈9同轴安装。

由上，本发明的电子枪装置中，水冷阴极2、环形绝缘子3、阳极4、聚焦线圈9与聚焦线圈5沿轴线自上而下依次同轴设置，且形成具有空腔的腔室，将导丝头1设置在装置的腔室内部且与中心轴同轴安装，可以实现丝材8与电子束同轴，降低了送丝机构安装难度，满足特殊零件对丝材送进角度的要求，并能适用于狭小空间结构的成形，大幅提高了熔丝增材制造的灵活性。

具体地，导丝头1为上宽下窄的锥形管状结构，在工作过程中，导丝头1由于电子轰击，也会产生大量热，需要冷却以保护元器件，因此在导丝头1的上端面安装有进水管101和出水管103，可用于冷却该导丝头1，进水管103伸入导丝头1的管内部一定距离以保证导丝头1得到充分冷却。导丝头1的中心轴设有导丝管102，丝材8通入导丝管102中可沿轴线进给。通过导丝管102的导向，使丝材能够沿轴线方向进给并与电子束同轴输出。

为了防止导丝头1与水冷阴极2之间电压击穿，在导丝头1与水冷阴极2之间设有绝缘密封件7，且绝缘密封件7具有预定强度的耐压强度，具体的耐压强度需根据实际需求进行确定。作为一种优选方式，该绝缘密封件7的耐压强度达到60kV，绝缘密封件7与导丝头1可拆卸连接，可采用紧固件及螺纹孔的配合进行可拆卸连接，便于拆装维护。

在绝缘密封件7上安装有锁紧环701，用于使绝缘密封件7和导丝头1安装后进行紧密锁紧，在锁紧环701与绝缘密封件7之间还设有第一密封橡胶圈702，水冷阴极2套接安装在绝缘密封件7外，且水冷阴极2与绝缘密封件7之间的安装缝隙中设有第二密封橡胶圈207，通过密封及锁紧，保证了装置的密封性能，保障了腔室对真空度的要求。

在水冷阴极2的底部端面设有安装孔，用于与环形绝缘子3可拆卸连接。优选地，环形绝缘子3采用耐高温陶瓷材料制成，环形绝缘子3的端面设有与水冷阴极2的底部端面连接的安装孔，环形绝缘子3与水冷阴极2的底部连接间隙之间设有第三密封橡胶圈206。

具体地，环形绝缘子3与水冷阴极2之间通过螺钉连接，该环形绝缘子3与水冷阴极2上的安装孔为与连接螺钉相匹配的螺纹孔，作为一种优选方式，可在环形绝缘子3上均布沉头螺纹孔，以使连接面贴合性更好，减小了连接间隙。

为了保证工作过程的安全性，将导丝头1和阳极4均良好接地。环形绝缘子3通过安装法兰6与阳极4连接安装，安装法兰6与阳极4、环形绝缘子3的安装孔位、数量一致，在环形绝缘子3上与阳极4的连接间隙中设有第四密封橡胶圈403，由于阳极4接地，会接收大量电子，为保障阳极4稳定工作，将阳极4设计成夹层结构，并且考虑到与消像线圈9以及聚焦线圈5的配合，将阳极4设计成上宽下窄的锥形结构，并且在阳极4的下端设有阳极进水口402，在阳极4的上端设有阳极出水口401，阳极进水口402与阳极出水口401之间通过阳极4的夹层腔连通，可用于对阳极4进行冷却，冷却水由下端的阳极进水口402进入阳极4的夹层空腔内流通，最后从阳极出水口401流出，带走了阳极4在工作过程中产生的热量，有利于阳极4性能的稳定性。

为了减小带电离子在阳极4内壁的复合几率，增加电子与其他离子的碰撞几率，改善放电腔室内的电参数，同时，为了获得高品质电子束斑，在阳极4外部安装一个或者多个消像线圈9，消像线圈9产生的水平磁场垂直于电子运动方向，使运动电子受到洛伦兹力作用指向电子束轴线。

为了保证电子束的束流品质，在电子束由阳极4的出束口输出后，利用轴对称聚焦磁场对电子束进行聚焦，产生聚焦磁场的聚焦线圈5安装在阳极4的出束口位置，聚焦线圈5安装在相对叠放设置的第一聚焦线圈磁轭501和第二聚焦线圈磁轭502之间的中间空隙中。

在外加高压电场条件下，由于水冷阴极要承受大量的正离子轰击，逸出大量二次电子，在工作过程中，产生大量热，为保障水冷阴极2长期稳定工作，在水冷阴极2上设置非闭合的环形冷却水通道，环形冷却水通道的阴极出水管202和阴极进水管203均设置在水冷阴极2的上端面，在封闭位置的一端安装阴极出水管202，在另外一端安装阴极进水管203并伸入水冷阴极2中。此外，在水冷阴极2的上端面合适位置处还安装了负高压引入端204，为了保证外部气体顺利导入放电腔室内部，在水冷阳极2的上端面安装有导气管201。此外，为了防止电子枪工作过程产生的射线辐射，在水冷阴极2的外部安装有防护壳体205，防护壳体205根据电子枪输入高压、冷却水、气体的需求，预留相应安装孔，防护壳体205的下端固定安装在阳极4上。

本发明的丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置的工作过程为：

将本发明的电子枪出束口与真空室连接，当真空室的真空度达到10-1Pa~10-2Pa时，将水冷阴极2通过负高压引入端204接通-30kV高压，导丝头1与阳极4接大地；惰性气体通过导气管201导入由水冷阴极2的凹形球面、阳极4的锥形内表面、导丝头1外表面组成放电腔室内，在放电强室内产生等离子体；等离子体中的正离子在高压电场的作用下，轰击水冷阴极2内表面，产生大量二次电子；由于放电腔室轴线位置引入接地的导丝头1，在放电腔室内形成一种环形等离子体阳极透镜效应，受其影响，二次电子向阳极4出束口汇聚，部分电子被导丝头1接收，未被接收的二次电子在阳极4的出束口附近形成环形电子束；丝材8沿着电子枪轴线的导丝管102进给；通过调节出束口附近的聚焦线圈5的电流，可以调节聚焦磁场，改变沿电子枪轴线进给丝材8熔化点位置，以便适应不同的加工工艺需求。

综上所述，本发明的一种丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置，通过在电子枪的内部腔室中设置用于导入丝材的导丝头，并且将导丝头与水冷阴极、阳极、聚焦线圈和消像线圈同轴安装设置，实现了丝材与电子束的同轴，降低了送丝机构安装难度，满足特殊零件对丝材送进角度的要求，并能适用于狭小空间结构的成形，大幅提高了熔丝增材制造的灵活性。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (11)

1.一种丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置，其特征在于，包括：

导丝头(1)，设置在所述电子枪的内部腔室中，用于将丝材(8)导入所述电子枪内；

水冷阴极(2)，设在所述导丝头(1)的上部外周，且与所述导丝头(1)同轴安装；所述导丝头(1)与所述水冷阴极(2)之间设有绝缘密封件(7)，所述绝缘密封件(7)具有预定强度的耐压强度，所述绝缘密封件(7)与所述导丝头(1)可拆卸连接；

环形绝缘子(3)：设在所述水冷阴极(2)的下端，且与所述水冷阴极(2)同轴安装；

阳极(4)：设在所述环形绝缘子(3)的下端并与其可拆卸连接；

消像线圈(9)，一个或者多个所述消像线圈(9)设在所述阳极(4)的下端外周，用于产生水平磁场，使运动电子在所述磁场中受到洛伦兹力作用指向电子束的轴线；

聚焦线圈(5)：设在所述阳极(4)的出束口，且在所述消像线圈(9)的下端，用于将电子束聚焦成电子束斑，所述聚焦线圈(5)与所述导丝头(1)、所述水冷阴极(2)、所述阳极(4)和所述消像线圈(9)同轴安装；沿所述导丝头(1)的中心轴设有导丝管(102)，所述丝材(8)通入所述导丝管(102)中可沿轴线进给，将所述导丝头(1)接地；所述导丝头(1)为上宽下窄的锥形管状结构，在所述导丝头(1)的上端面安装有进水管(101)和出水管(103)，所述进水管(101 )伸入所述导丝头(1)的管内部一定距离，用于冷却所述导丝头(1)。

2.根据权利要求1所述的丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置，其特征在于，所述绝缘密封件(7)上安装有锁紧环(701)，用于使所述绝缘密封件(7)和所述导丝头(1)安装后的紧密锁紧，在所述锁紧环(701)与所述绝缘密封件(7)之间还设有第一密封橡胶圈(702)。

3.根据权利要求1所述丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置，其特征在于，所述水冷阴极(2)套接安装在所述绝缘密封件(7)外，所述水冷阴极(2)与所述绝缘密封件(7)之间的安装缝隙中设有第二密封橡胶圈(207)，在所述水冷阴极(2)的底部端面设有安装孔，用于与所述环形绝缘子(3)可拆卸连接。

4.根据权利要求3所述的丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置，其特征在于，所述环形绝缘子(3)采用耐高温陶瓷材料制成，所述环形绝缘子(3)的端面设有与所述水冷阴极(2)的底部端面连接的安装孔，所述环形绝缘子(3)与所述水冷阴极(2)的底部连接间隙之间设有第三密封橡胶圈(206)。

5.根据权利要求4所述的丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置，其特征在于，所述环形绝缘子(3)与所述水冷阴极(2)之间通过螺钉连接，所述环形绝缘子(3)与所述水冷阴极(2)上的安装孔为与所述螺钉相匹配的螺纹孔。

6.根据权利要求5所述的丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置，其特征在于，所述环形绝缘子(3)通过安装法兰(6)与所述阳极(4)连接安装，在所述环形绝缘子(3)上与所述阳极(4)的连接间隙中设有第四密封橡胶圈(403)，所述阳极(4)接地。

7.根据权利要求6所述的丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置，其特征在于，所述阳极(4)为上宽下窄的锥形夹层结构，在所述阳极(4)的下端设有阳极进水口(402)，在所述阳极(4)的上端设有阳极出水口(401)，所述阳极进水口(402)与所述阳极出水口(401)之间通过所述阳极(4)的夹层腔连通，可用于冷却所述阳极(4)。

8.根据权利要求7所述的丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置，其特征在于，所述水冷阴极(2)的内壁为凹形球面，所述水冷阴极(2)的凹形球面、所述阳极(4)的锥形内表面和所述导丝头(1)的外表面组成放电腔室，所述放电腔室内用于产生等离子体。

9.根据权利要求1所述的丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置，其特征在于，还包括第一聚焦线圈磁轭(501)和第二聚焦线圈磁轭(502)，所述第一聚焦线圈磁轭(501)和所述第二聚焦线圈磁轭(502)相对叠放设置形成的中间空隙用于安装所述聚焦线圈(5)。

10.根据权利要求9所述的丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置，其特征在于，所述水冷阴极(2)的上端面设有导气管(201)、负高压引入端(204)以及非闭合的环形冷却水通道，所述导气管(201)通入所述水冷阴极(2)的腔室内，所述环形冷却水通道的阴极进水管(203)和阴极出水管(202)均设在所述水冷阴极(2)的端面，所述阴极进水管(203)伸入所述水冷阴极(2)中，所述阴极出水管(202)设在闭合位置处。

11.根据权利要求10所述的丝束同轴的熔丝增材制造电子枪装置，其特征在于，在所述水冷阴极(2)的外部安装有防护壳体(205)，防护壳体(205)上预留多个安装孔，所述防护壳体(205)的下端与所述阳极(4)安装连接。

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