CN114178668B - 一种专用于太空焊接的钢笔式手持电子束枪 - Google Patents

一种专用于太空焊接的钢笔式手持电子束枪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种专用于太空焊接的钢笔式手持电子束枪，包括反蒸镀装置、电子束枪壳体、高压电缆、控制手柄、控制电缆、操作手柄、聚焦组件、电子束枪芯组件、高压电缆接头组件；聚焦组件、反蒸镀装置、电子束枪壳体和操作手柄从左向右依次连接；灯丝安装在高绝缘后盖上，灯丝与连接电极连接，灯丝上的电子在高压下逃离灯丝，穿过聚焦栅，经过阳极和环状阴极形成的电场加速，形成电子束，进入聚焦组件；聚焦组件对电子束进行汇聚，形成具有极高功率密度的电子束，并能通过调节聚焦透镜组来控制电子束光斑直径。本发明具有便携性、安全性、耐用性、易用性及模块化的优点。

Description

一种专用于太空焊接的钢笔式手持电子束枪
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种钢笔式手持电子束枪。
背景技术
我国的空间站今年已经投入使用，为保证空间站在复杂的太空环境中长寿命、高可靠地运行，空间焊接作为空间维修的重要途径，应该被重视起来。电子束焊接由于在空间环境中不需要建立体积庞大的真空室、有害气体不会对焊接过程进行影响等特点被认为是最适合空间焊接的焊接方法，可以胜任未来的航天器装配及空间站维修等任务。
然而突破空间电子束焊接技术的首要条件就是空间电子束焊接装备的设计及制造，并且由于其在空间飞行器的在轨制造与组装、空间材料熔炼等方面有需求，所以设计出合理的空间电子束枪的任务乃是重中之重。在太空中宇航员需要手持电子束枪进行工作，所以电子束枪的设计首先考虑到焊接质量等问题的同时也要趋向于轻便化，人性化从而为宇航员的焊接工作提供便利。
发明内容
本发明提供了一种专用于太空焊接的钢笔式手持电子束枪，包括反蒸镀装置、电子束枪壳体、高压电缆、控制手柄、控制电缆、操作手柄、聚焦组件、电子束枪芯组件、高压电缆接头组件；聚焦组件、反蒸镀装置、电子束枪壳体和操作手柄从左向右依次连接；灯丝安装在高绝缘后盖上，灯丝与连接电极连接，灯丝上的电子在高压下逃离灯丝，穿过聚焦栅，经过阳极和环状阴极形成的电场加速，形成电子束，进入聚焦组件；聚焦组件对电子束进行汇聚，形成具有极高功率密度的电子束，并能通过调节聚焦透镜组来控制电子束光斑直径。本发明具有便携性、安全性、耐用性、易用性及模块化的优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种专用于太空焊接的钢笔式手持电子束枪，包括反蒸镀装置、电子束枪壳体、高压电缆、控制手柄、控制电缆、操作手柄、聚焦组件、电子束枪芯组件、高压电缆接头组件；
所述聚焦组件、反蒸镀装置、电子束枪壳体和操作手柄从左向右依次连接；
所述聚焦组件包括聚焦线圈和聚焦透镜组；所述聚焦组件对电子束进行汇聚，形成具有极高功率密度的电子束，并能通过调节聚焦透镜组来控制电子束光斑直径；
所述高压电缆接头组件包括绝缘部件和穿入其中的连接电极；所述高压电缆从右边穿入操作手柄后与连接电极连接；
所述电子束枪芯组件设置在电子束枪壳体内部，电子束枪芯组件自左向右依次为阳极、环状阴极、聚焦栅、灯丝和高绝缘后盖；所述阳极与连接电极的正极连接，环状阴极与连接电极的负极连接；所述聚焦线圈的正极与连接电极的正极连接，聚焦线圈的负极与连接电极的负极连接；所述灯丝安装在高绝缘后盖上，灯丝与连接电极连接，灯丝上的电子在高压下逃离灯丝，穿过聚焦栅，经过阳极和环状阴极形成的电场加速，形成电子束，进入聚焦组件；
所述控制手柄嵌入在操作手柄侧面，控制手柄上设置开关警示灯、安全开关、束斑直径调节键和电子束使用开关；所述控制电缆穿过操作手柄与控制手柄中的各个开关连接，对电子束枪进行控制。
优选地，所述环状阴极为旁热式阴极，以提高阴极使用寿命。
优选地，所述灯丝的发射电压为7kV，通过电流为150mA。
优选地，所述连接电极被固定在所述绝缘部件内部，避免电子束枪壳体带电。
优选地，所述灯丝的材质为钨或钽。
优选地，所述电子束使用开关在使用时需要一直按压。
优选地，所述安全开关需要推向远离自己方向才能让电子束使用开关工作，提高设备的安全性和易用性。
优选地，所述反蒸镀装置能防止熔池中高温合金蒸汽对阴极进行蒸镀，以提升阴极寿命。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过对便携性、安全性、耐用性、易用性及模块化的优化，设计出了十分适合用于空间焊接的电子束枪。
(2)本发明所述电子束枪总体形状为直径50mm的圆柱体，方便宇航员穿戴舱外宇航服手套进行握持操作以提高焊接工作的便利性；本发明所述电子束枪采用静电聚焦，质量小且无能耗更不用考虑绝缘问题，可减轻全枪重量和体积，使所述电子束枪重量控制在1kg以下，可提高设备的便携性。
(3)本发明所述灯丝发射电压7kV，灯丝通过电流150mA，可使电子束集中程度达到最大的同时，也能使宇航员免受X射线的辐射；本发明所述连接电极被固定在绝缘部件内部，从而避免电子束枪壳体带电。上述设计可提高设备的工作效率和安全性。
(4)本发明的反蒸镀装置可防止熔池中高温合金蒸汽对阴极进行蒸镀，以提升阴极寿命；并且还可通过所述透镜组来调整电子束光斑直径，减少电子弥散程度提升阴极使用寿命；所述聚焦栅也可提高电子发射速率，同样能提高聚焦质量，从而减少电子弥散程度，降低电子轰击阴极几率以提升阴极使用寿命；同时阴极结构设计成旁热式阴极也能降低电子轰击阴极几率以提高阴极使用寿命，并将阴极预处理成中间开孔的环状阴极，避免电子直接轰击阴极从而提升阴极使用寿命。以上设计可提高设备的耐用性。
(5)本发明的控制手柄上同时设置了需要用一直按压才可工作的电子束使用开关、提醒电子束开关状态的开关警示灯、需要推向远离自己方向才可让电子束使用开关工作的安全开关以及可通过调节聚焦透镜组控制电子束光斑直径的按键。此设计可提高设备的易用性。
(6)本发明所述聚焦组件及反蒸镀装置安装在枪身外，所述阴极、聚焦栅、灯丝、高绝缘后盖相连接成一整体，并且阴极灯丝被安装在高绝缘后盖上。此设计使得电子束枪芯整体便于模块化生产、拆卸、组装及维护。
附图说明
图1为本发明电子束枪结构示意图。
图中，1-聚焦线圈；2-聚焦透镜组；3-反蒸镀装置；4-阳极；5-电子束枪壳体；6-环状阴极；7-聚焦栅；8-高绝缘后盖；9-灯丝；10-绝缘部件；11-连接电极；12-高压电缆；13-开关警示灯；14-安全开关；15-束斑直径调节键；16-电子束使用开关；17-控制手柄；18-控制电缆；19-操作手柄。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的目的是提供一款专用于空间焊接的钢笔式手持电子束枪，能够实现轻质量、易操作、安全性高、焊接质量高等特点。
一种专用于太空焊接的钢笔式手持电子束枪，包括反蒸镀装置3、电子束枪壳体5、高压电缆12、控制手柄17、控制电缆18、操作手柄19、聚焦组件、电子束枪芯组件、高压电缆接头组件；
所述聚焦组件、反蒸镀装置3、电子束枪壳体5和操作手柄19从左向右依次连接；
所述聚焦组件包括聚焦线圈1和聚焦透镜组2；所述聚焦组件对电子束进行汇聚，形成具有极高功率密度的电子束，并能通过调节聚焦透镜组2来控制电子束光斑直径；
所述高压电缆接头组件包括绝缘部件10和穿入其中的连接电极11；所述高压电缆12从右边穿入操作手柄19后与连接电极11连接；
所述电子束枪芯组件设置在电子束枪壳体5内部，电子束枪芯组件自左向右依次为阳极4、环状阴极6、聚焦栅7、灯丝9和高绝缘后盖8；所述阳极4和环状阴极6分别与连接电极11的正极和负极连接；所述聚焦线圈1的正负极分别与连接电极11的正极和负极连接；所述灯丝9安装在高绝缘后盖8上，灯丝9与连接电极11连接，灯丝上的电子在高压下逃离灯丝，穿过聚焦栅7，经过阳极4和环状阴极6形成的电场加速，形成电子束，进入聚焦组件；
所述控制手柄17嵌入在操作手柄19侧面，控制手柄17上设置开关警示灯13、安全开关14、束斑直径调节键15和电子束使用开关16；所述控制电缆18穿过操作手柄19与控制手柄17中的各个开关连接，对电子束枪进行控制；
优选地，所述环状阴极6为旁热式阴极，以提高阴极使用寿命。
优选地，所述灯丝9的发射电压为7kV，通过电流为150mA。
优选地，所述连接电极11被固定在所述绝缘部件10内部，避免电子束枪壳体5带电。
优选地，所述灯丝9的材质为钨或钽。
优选地，所述电子束使用开关16在使用时需要一直按压。
优选地，所述安全开关14需要推向远离自己方向才能让电子束使用开关工作，提高设备的安全性和易用性。
优选地，所述反蒸镀装置3能防止熔池中高温合金蒸汽对阴极进行蒸镀，以提升阴极寿命。
具体实施例：
本发明电子束枪的工作原理：
电源通过高压电缆12向灯丝9传输电流并对其加热，当灯丝电压达到一定大小时，灯丝上的电子便在高压下逃离灯丝，在穿过聚焦栅7使电子聚集程度得到提高后，再经过阳极4和环状阴极6形成的电场加速，通过电子束枪中的聚焦线圈1和聚焦透镜组2并在静电作用下会聚形成具有极高功率密度的电子束。电子束撞击工件表面，电子的动能转变为热能，金属迅速熔化蒸发。在高压金属蒸汽的作用下，工件表面迅速钻出一个匙孔。随着电子束与工件的相对运动，液态金属流向匙孔周围的熔池背面，然后冷却形成焊缝。

Claims (8)

1.一种专用于太空焊接的钢笔式手持电子束枪，其特征在于，包括反蒸镀装置、电子束枪壳体、高压电缆、控制手柄、控制电缆、操作手柄、聚焦组件、电子束枪芯组件、高压电缆接头组件；
所述聚焦组件、反蒸镀装置、电子束枪壳体和操作手柄从左向右依次连接；
所述聚焦组件包括聚焦线圈和聚焦透镜组；所述聚焦组件对电子束进行汇聚，形成具有极高功率密度的电子束，并能通过调节聚焦透镜组来控制电子束光斑直径；
所述高压电缆接头组件包括绝缘部件和穿入其中的连接电极；所述高压电缆从右边穿入操作手柄后与连接电极连接；
所述电子束枪芯组件设置在电子束枪壳体内部，电子束枪芯组件自左向右依次为阳极、环状阴极、聚焦栅、灯丝和高绝缘后盖；所述阳极与连接电极的正极连接，环状阴极与连接电极的负极连接；所述聚焦线圈的正极与连接电极的正极连接，聚焦线圈的负极与连接电极的负极连接；所述灯丝安装在高绝缘后盖上，灯丝与连接电极连接，灯丝上的电子在高压下逃离灯丝，穿过聚焦栅，经过阳极和环状阴极形成的电场加速，形成电子束，进入聚焦组件；
所述控制手柄嵌入在操作手柄侧面，控制手柄上设置开关警示灯、安全开关、束斑直径调节键和电子束使用开关；所述控制电缆穿过操作手柄与控制手柄中的各个开关连接，对电子束枪进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种专用于太空焊接的钢笔式手持电子束枪，其特征在于，所述环状阴极为旁热式阴极，以提高阴极使用寿命。
3.根据权利要求1所述的一种专用于太空焊接的钢笔式手持电子束枪，其特征在于，所述灯丝的发射电压为7kV，通过电流为150mA。
4.根据权利要求1所述的一种专用于太空焊接的钢笔式手持电子束枪，其特征在于，所述连接电极被固定在所述绝缘部件内部，避免电子束枪壳体带电。
5.根据权利要求1所述的一种专用于太空焊接的钢笔式手持电子束枪，其特征在于，所述灯丝的材质为钨或钽。
6.根据权利要求1所述的一种专用于太空焊接的钢笔式手持电子束枪，其特征在于，所述电子束使用开关在使用时需要一直按压。
7.根据权利要求1所述的一种专用于太空焊接的钢笔式手持电子束枪，其特征在于，所述安全开关需要推向远离自己方向才能让电子束使用开关工作，提高设备的安全性和易用性。
8.根据权利要求1所述的一种专用于太空焊接的钢笔式手持电子束枪，其特征在于，所述反蒸镀装置能防止熔池中高温合金蒸汽对阴极进行蒸镀，以提升阴极寿命。
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