CN109807415B

CN109807415B - 一种空心电子束同轴送丝的加工装置以及加工方法

Info

Publication number: CN109807415B
Application number: CN201910170637.8A
Authority: CN
Inventors: 王廷; 冯吉才; 蒋思远
Original assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Current assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Priority date: 2019-03-07
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2022-01-04
Anticipated expiration: 2039-03-07
Also published as: CN109807415A

Abstract

本发明公开了一种空心电子束同轴送丝的加工装置以及加工方法，其包括：其包括：电子束发生器，其包括发射阴极，发射阴极呈环形设置；电子束聚焦单元，用于改变电子束轨迹，将电子束聚焦于中心轴上；送丝机构，包括固定连接的送丝管，所述送丝管设置于所述电子束的中心轴处。本发明由于采用上述结构，具有同轴度高，丝材利用率高，加工精度高等优点。

Description

一种空心电子束同轴送丝的加工装置以及加工方法

技术领域

本发明涉及送丝电子束加工领域，具体地说是一种空心电子束同轴送丝的加工装置以及加工方法。

背景技术

送丝电子束焊接、送丝电子束熔敷及修复、送丝电子束增材在电子束焊接、电子束熔敷以及电子束金属打印中十分常见，这里统称为送丝电子束加工。通常的送丝电子束加工，主要采用传统的旁轴送丝方式，旁轴送丝的结构中，送丝机构下置于电子束枪头底部，送丝的轨迹需要与电子束的轨迹在空间中相交，由于电子束所聚焦时占用体积较小；从而大大增加了送丝电子束加工在机械设计、空间运动轨迹、成形控制上的难度，限制了构件的成形复杂度，严重阻碍了送丝电子束加工的实际应用。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种结构新颖、丝材利用率高，加工精度高的空心电子束同轴送丝的加工装置。

本发明的另一目的，在于提供一种空心电子束同轴送丝的加工方法，该方法可以提高丝材利用率以及加工精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种空心电子束同轴送丝的加工装置，其包括：

电子束发生器，其包括发射阴极，发射阴极呈环形设置；

电子束聚焦单元，用于改变电子束轨迹，将电子束聚焦于中心轴上；

送丝机构，包括固定连接的送丝管，所述送丝管设置于所述电子束的中心轴处。

优选地，还包括电子束调整单元，用于将发射阴极发出的电子束以环形的方式向外投射；电子束聚焦单元包括静电透镜。

进一步地，电子束聚焦单元还包括电磁透镜系统，所述电磁透镜系统包括电磁透镜，电磁透镜用于约束电子束的运动轨迹。

电磁透镜可以解决电子束发射角度较小时，可能出现受空间电荷以及真空室压力影响而产生的发散现象。

进一步地，所述发射阴极呈圆环形或正n边形设置，n>2，n为自然数。

进一步地，还包括电子束加速系统，用于增加电子束的动能。

优选地，还包括真空室，所述电子束发生器、电子束调整单元、电子束聚焦单元、送丝机构以及电子束加速系统均设置于真空室内。

进一步地，电子束发生器还包括用于安装发射阴极的壳体，所述壳体的中部设有用于送丝机构穿过的穿孔，壳体的一侧设有用于环形电子束射出的环形开口。

进一步地，所述电子束束流的发射角度范围为10至100度。

进一步地，所述加工装置还包括基座、陶瓷体、转接板以及运动臂，所述基座中部与电子束发生器连接，所述基座后端连接有转接接口，所述转接接口与陶瓷体连接，所述陶瓷体间隔于转接接口与转接板之间，所述转接板与运动臂相连。

一种空心电子束同轴送丝的加工方法，其包括：发射阴极产生环状的电子束；金属焊丝沿着环状电子束的中心轴方向送丝，电子束在静电透镜作用下聚焦在金属焊丝上。

进一步地，上述加工方法中的发射阴极呈环形设置。

进一步地，上述加工方法还包括：对电子束的发射角度和/或聚焦精度的校正。为避免电子束发射角度较大，不能聚焦在金属焊丝上，需要对电子束的发射角度进行校正，具体为：采用电磁透镜对电子束进行角度校正。

本发明所述发射阴极可采用钽丝、钨丝、钼丝、铌丝，其截面可为半圆形、圆形、椭圆形及正n边形（n>2，n为自然数），以达到使用寿命长的作用。

本发明由于采用上述结构、方法，具有焊丝利用率高，加工精度高等优点。

附图说明

图1为本发明加工的一种原理示意图。

图2是本发明加工装置的一种剖视示意图。

图3是本发明加工装置的一种下视示意图。

图4是本发明加工装置附加电磁透镜结构剖视图。

附图标记：电子束发生器1、基座3、陶瓷体4、转接接口5、送丝接口6、送丝管7、转接板8、运动臂9、电磁透镜10、金属焊丝11、电子束13、发射阴极14。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

实施例1：如附图2、图3、图4所示，一种空心电子束同轴送丝的加工装置，其包括呈环形设置的发射阴极14，发射阴极14发射出的电子束13；送丝机构包括固定连接的送丝管7；具体设计时，送丝管连接有送丝接口6，金属焊丝11通过送丝接口6送入送丝管7，再从送丝管7中向外输送，送丝管7位于电子束13的中心轴处，金属焊丝11沿着电子束13的中心轴轨迹移动；加工装置还包括有电子束聚焦单元，电子束13在电子束聚焦单元的作用下进行聚焦，聚焦在所述中心轴上，具体为金属焊丝11上。电子束聚焦单元主要为静电透镜。

本技术方案的电子束发生器1产生的电子束13呈环形，送丝机构的送丝轨迹为沿着电子束13的中心轴移动，电子束13在静电透镜的作用下打在金属焊丝11上，虽然电子束13的发射方向有所偏差，该偏差带来的影响是电子束13聚焦的远近，聚焦区域仍然落在中心轴上，即电子束13仍然会打在金属焊丝11上，电子束13在金属焊丝11上的落点范围为一小段区域；从而达到提高利用电子束13、金属焊丝11效率的作用。其次，工作过程中，金属焊丝11的进给方向有一定的误差，即金属丝的移动轨迹与电子束13的中心轴具有一定的误差，但该误差并不影响电子束13作用到金属焊丝11，该误差仅仅影响电子束13作用在金属丝上的位置，从而使得在加工、装配过程中，对金属焊丝11的送丝机构的精度要求可以降低，降低加工以及安装成本。

发射阴极14在实际设计时，可以呈圆环形，也可以呈正n边形，n>2，且n为自然数。传统的电子束13发生装置一般由点或面发射，从而产生实心电子束流，本技术方案中，将发射阴极14设置呈环形或正多边形，发射阴极14产生的电子束13呈中空的环形。

电子束发生器1还包括用于安装发射阴极14的壳体，所述壳体的中部设有用于送丝机构穿过的穿孔，壳体的一侧设有用于环形电子束13射出的环形开口。壳体可以作为电子束调整单元之一。

环形开口可以用于将发射阴极14射出的电子束13进行定向。在实际应用中，壳体包括固定连接的上壳和下壳，发射阴极14设置于上壳与下壳之间；壳体形状可采用中空环状或中空多边形状，壳体均为无磁性导电材料，所述壳体直径为10~60mm，壳体与阴极之间采用陶瓷材质，陶瓷体4置于上壳体与下壳体之间，以达到绝缘的作用。

其次，为使得发射阴极14的电子做定向的运动，优选地，可设置有电子束调整单元，用于将发射阴极发出的电子束以环形的方式向外投射；环形定向运动的电子束在与静电透镜配合，更加容易聚焦。优选地，设置有定向电场，通过定向电场对发射阴极14发出的电子进行定向，定向电场可作为电子束调整单元之一。为调整电子束13的发射夹角，本技术方案还设置了电磁透镜10，电磁透镜10可以解决电子束13发射角度较小时，可能出现受空间电荷以及真空室压力影响而产生的发散现象。电磁透镜10与静电透镜相结合，对电子束进行双重聚焦，保证电子束打在金属焊丝上。静电透镜在设置时，优选的，可以设置在发射阴极周边，发射阴极发射出的环形电子束受到静电透镜的作用，发生聚焦。

加工装置还包括电子束加速系统，用于增加电子束的动能。

为提高加工的效率，优选地，还包括真空室，所述电子束发生器1、电子束调整单元、电子束聚焦单元、送丝机构以及电子束加速系统均设置于真空室内。

在真空室内，可以减少空气中离子的含量，减少对电子束的影响。

进一步地，所述电子束束流的发射角度范围为10至100度。通过电磁透镜对电子束的约束，控制其发射角度。

进一步地，所述加工装置还包括基座3、陶瓷体4、转接板8以及运动臂9，所述基座3中部与电子束发生器1连接，所述基后端连接有转接接口5，所述转接接口5与陶瓷体4连接，所述陶瓷体4间隔于转接接口5与转接板8之间，所述转接板8与运动臂9相连。

为方便固定电子束发生器1，本技术方案设置了基座3和陶瓷体4，其次，由于加工的位置需要变化，因此设置了转接板8和运动臂9，运动臂9与外界的驱动装置连接，通过运动臂9调整基座3的位置。

本发明所述空心电子束发生器1的发射阴极14采用直径为0.5-2mm的钽丝、钨丝、钼丝、铌丝，以达到长寿命的作用。

本发明在运行时，所述空心电子束发生器1发射的电子束流对送丝管7出口处的丝材进行熔化，并对物件进行焊接。

实施例2：参见图1，一种空心电子束同轴送丝的加工方法，其包括：发射阴极14产生环状的电子束；金属焊丝11沿着环状电子束的中心轴方向送丝，电子束在静电透镜作用下聚焦在金属焊丝11上。

本方法在加工时，使得金属焊丝11的侧面均受到电子束的加热，加热均匀；从而解决金属焊丝11受热不均带来的熔化、凝固中出现断层、气孔等问题，其次也提高金属焊丝11利用率。

进一步地，上述加工方法还包括：对电子束的发射角度和/或聚焦精度的校正。为避免电子束发射角度较大，不能聚焦在金属焊丝11上，需要对电子束的发射角度进行校正，具体为：采用电磁透镜10对电子束进行发射角度校正，或采用电场对电子束进行发射角度校正。

进一步地，上述加工方法中的发射阴极14呈环形设置。优选地，上述加工方法在真空环境下进行。

本发明由于采用上述结构，具有结构新颖、同轴度高、丝材利用率高、加工精度高等优点。

Claims

1.一种空心电子束同轴送丝的加工装置，其特征在于：其包括：

电子束发生器，其包括发射阴极，发射阴极呈环形设置，并产生环形的电子束；还包括用于安装发射阴极的壳体，所述壳体的中部设有用于送丝机构穿过的穿孔，壳体的一侧设有用于环形电子束射出的环形开口；壳体设有电子束调整单元，电子束调整单元包括电磁透镜；

电子束聚焦单元，用于改变电子束轨迹，将电子束聚焦于中心轴上；其包括定向电场和静电透镜；

定向电场将阴极发出的电子束以环形的方式定向向外投射；

静电透镜设置在阴极周边，用于将发射出的环形电子束进行聚焦；

电磁透镜用于调整电子束的发射夹角；

2.根据权利要求1所述的一种空心电子束同轴送丝的加工装置，其特征在于：所述发射阴极呈圆环形或正n边形设置，n>2，n为自然数。

3.根据权利要求1所述的一种空心电子束同轴送丝的加工装置，其特征在于：还包括电子束加速系统，用于增加电子束的动能。

4.根据权利要求3所述的一种空心电子束同轴送丝的加工装置，其特征在于：还包括真空室，所述电子束发生器、电子束调整单元、电子束聚焦单元、送丝机构以及电子束加速系统均设置于真空室内。

5.根据权利要求1所述的一种空心电子束同轴送丝的加工装置，其特征在于：所述电子束束流的发射角度范围为10至100度。

6.根据权利要求1所述的一种空心电子束同轴送丝的加工装置，其特征在于：所述加工装置还包括基座、陶瓷体、转接板以及运动臂，所述基座中部与电子束发生器连接，所述基座后端连接有转接接口，所述转接接口与陶瓷体连接，所述陶瓷体间隔于转接接口与转接板之间，所述转接板与运动臂相连。

7.一种空心电子束同轴送丝的加工方法，其特征在于：其采用权利要求1至6任一所述的加工装置，发射阴极产生环状的电子束；金属焊丝沿着环状电子束的中心轴方向送丝，电子束在静电透镜作用下聚焦在金属焊丝上。

8.根据权利要求7所述的一种空心电子束同轴送丝的加工方法，其特征在于：还包括：对电子束的发射角度和/或聚焦精度的校正。