CN114787956A - 采用等离子体阴极的电子束焊接系统 - Google Patents
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Abstract
在一实施例中，提供了一种包括电子枪、聚焦系统和壳体的系统。电子枪可以包括冷阴极电子源和提取电极。聚焦系统可以被配置成将从电子枪提取的电子束聚焦到焦点区域。壳体可以包括电子枪并且在电子束的方向上沿着壳体轴延伸。冷阴极源被配置成在高于电子束的焦点区域处的第二操作压强的第一操作压强下发射电子。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年10月16日提交的且题为“Electron Beam Welding SystemsEmploying A Plasma Cathode”的美国临时专利申请No. 62/916,214的权益，其全部内容通过引用并入。
背景技术
焊接是通过其将包括两个组件的工件接合在一起的过程。一般而言，两个组件的表面被放置成彼此接触并且被加热。热量使得这两个组件熔化，并且当随后冷却时熔合在一起。
电子束焊接（EBW）是为了焊接而加热金属组件所开发的一种技术。高速电子从源中被提取并且聚焦成束。电子束的焦点区域指向两个金属组件的表面在其中接触的焊接位置。该束内的电子的一部分动能被转换成热能，从而为焊接过程供应热量。
EBW提供了许多优点。在一个方面，电子束可以展现出相对高的穿透深度-宽度比，这可以消除执行多次通过的需要。在另一方面，可以以高准确度来聚焦电子束，从而提供精确的控制和再现性。还可以定制电子束的能量，以避免使焊接区域过热，从而减少收缩和变形。
现有的EBW系统通常采用热离子阴极作为电子源。然而，热离子阴极可能会带来挑战。作为示例，热离子阴极需要相对高的真空（例如，约10-4托（torr）或更低）来操作。在较高的压强下，热离子阴极可能与真空中的残余气体反应，并且形成化合物，这些化合物容易由于蒸发而侵蚀热离子阴极。这种侵蚀减少热离子阴极的寿命。附加地，为了将热离子阴极维持在高真空下，待接合的组件以及工件固定和定位机构必须被安装在也处于高真空下的大焊接腔室中。与其他焊接技术相比，在真空中包围固定和定位机构增加了EBW系统的成本、复杂性和大小。除了这些寿命和成本限制外，还存在对热离子阴极可以生成的电子电流的限制。电子电流可能局限焊接的深度和范围以及可以焊接的材料的类型。
发明内容
本公开的实施例提供了用于电子束焊接的改进的系统和方法。如下面更详细讨论的，用冷等离子体阴极来代替热的热离子阴极。冷等离子体阴极在操作温度下是相对惰性的，而没有实质性侵蚀。作为结果，等离子体阴极的寿命可以显著增加（例如，30倍以上）。等离子体阴极的惰性性质也使得能够在显著高于常规热离子阴极的压强下操作。作为结果，在其中等离子体阴极枪被改装到包含工件的焊接腔室中的一个实施例中，该焊接腔室也可以被维持在比具有热离子阴极的e束焊机更高的压强下。例如，焊接腔室压强可以在约1毫托与约50毫托之间操作，而没有来自残余气体的显著电子束散射。在其中等离子体阴极枪被安装在差动泵送的壳体（被称为通气管（snorkel））中的另一个实施例中，焊接腔室将被消除。待焊接的组件以及支撑台和固定装置（fixturing）被定位在真空外壳的外部，而不是内部。组件、支撑台和固定装置处于大气压强下。与基于热离子阴极的EBW系统相比，在焊接腔室处于真空外壳外部的情况下，真空外壳的体积可以显著减小，从而提供基于等离子体阴极的EBW系统的成本和复杂性方面的降低。
在一实施例中，提供了一种包括电子枪、聚焦系统和壳体的系统。电子枪可以包括冷阴极电子源和提取电极。聚焦系统可以被配置成将从电子枪提取的电子束聚焦到焦点区域。壳体可以包括电子枪并且在电子束的方向上沿着壳体轴延伸。冷阴极源被配置成在高于电子束的焦点区域处的第二操作压强的第一操作压强下发射电子。
在另一个实施例中，冷阴极电子源是等离子体阴极。等离子体阴极可以包括等离子体阴极腔室、第一等离子体电极和第二等离子体电极。第一等离子体电极可以安装到等离子体阴极腔室的第一壁。第二等离子体电极可以安装到等离子体阴极腔室的与第一壁相对的第二壁。等离子体阴极腔室的轴可以在第一与第二等离子体电极之间的方向上延伸。
在另一个实施例中，等离子体阴极可以被配置成生成具有小于约200℃的电子温度的等离子体。
在另一个实施例中，等离子体阴极腔室轴可以与壳体轴近似对准。
在另一个实施例中，等离子体阴极腔室轴可以近似垂直于壳体轴。
在另一个实施例中，第一操作压强可以在从约50毫托至约500毫托的范围内。
在另一个实施例中，第二操作压强可以在从约1毫托至约50毫托的范围内。
在另一个实施例中，壳体可以包括电子枪和包围焦点区域的焊接腔室。
在另一个实施例中，壳体可以进一步包括在耦合到电子枪的第一端与第二自由端之间延伸的差动泵送通气管。通气管可以被配置成在第一端与第二端之间提供所选的压强梯度，并且焦点区域可以近似定位在第二自由端处。
在另一个实施例中，通气管可以包括多个真空外壳，每个真空外壳与相应的真空泵流体连通。
在一实施例中，提供了一种方法。该方法可以包括：由包括冷阴极源和提取电极的电子枪来生成第一压强下的电子。该方法可以进一步包括：由提取电极来提取从冷阴极源发射的电子。该方法可以附加地包括：沿着包含电子枪的壳体的轴将所提取的电子束聚焦到焦点区域。该方法可以进一步包括：接收入射到工件的表面上的电子束的焦点区域，其中工件处的第二压强小于第一压强。
在另一个实施例中，生成电子可以包括：接收电子枪的等离子体阴极腔室内的气体流，并且在安装到等离子体阴极腔室的第一壁上的第一等离子体电极与安装到等离子体阴极腔室的与第一壁相对的第二壁上的第二等离子体电极之间生成电场。电场可以被配置成由气体形成等离子体，并且等离子体阴极腔室的轴可以在第一与第二等离子体电极之间的方向上延伸。
在另一个实施例中，所生成的等离子体可以具有小于约200℃的电子温度。
在另一个实施例中，等离子体阴极腔室轴可以与壳体轴近似对准。
在另一个实施例中，等离子体阴极腔室轴可以近似垂直于壳体轴。
在另一个实施例中，第一压强可以在从约50毫托至约500毫托的范围内。
在另一个实施例中，第二压强可以在从约1毫托至约50毫托的范围内。
在另一个实施例中，该方法可以进一步包括：将工件包围在焊接腔室内。焊接腔室可以与电子枪流体连通。
在另一个实施例中，该方法可以进一步包括：在工件的表面与通气管的自由端之间形成真空密封，通气管从自由端延伸到电子枪。该方法还可以包括：在电子枪与自由端之间沿着通气管的长度建立所选的压强梯度。
在另一个实施例中，建立所选的压强梯度可以包括向通气管的相应真空外壳应用不同水平的真空压强。
附图说明
从结合附图的以下详细描述中，将更容易理解这些和其他特征，在附图中：
图1是图示了电子束焊接系统的一个示例性实施例的示图，该电子束焊接系统包括包含热的热离子阴极的壳体；
图2是图示了包括电子束焊接系统的操作环境的第一示例性实施例的示图，该电子束焊接系统包括定位在与壳体对准（例如，沿着z轴）的第一等离子体阴极腔室内的冷等离子体阴极；
图3是图示了电子束焊接系统的第二示例性实施例的示图，该电子束焊接系统包括定位在近似垂直于壳体而定向（例如，沿着x轴）的第二等离子体阴极腔室内的冷等离子体阴极；
图4是图示了包括冷等离子体阴极和差动泵送的壳体的电子束焊接系统的第三示例性实施例的示图；以及
图5是图示了包括图2-4的束焊接系统的操作环境的示图。
要注意的是，附图不一定是按比例的。附图意图仅描绘本文中所公开的主题的典型方面，并且因此不应被视为限制本公开的范围。
具体实施方式
为了更好地领会所公开的基于冷等离子体阴极的EBW系统的实施例与基于热的热离子阴极的EBW系统相比的特征和优点，下面参考图1讨论了基于热离子阴极的EBW系统100的示例性实施例。如所示出，基于热离子阴极的EBW系统100包括：包含阴极腔室104的壳体102、定位在阴极腔室104内的热离子阴极106、以及包含阶台112的焊接腔室110。阶台112可以被配置成固定并定位工件114，工件114包括待接合的第一组件116a和第二组件116b。阳极120、聚焦线圈122和偏转线圈124介于阴极腔室104与焊接腔室110之间。热离子阴极106经由线缆126与高压电源（未示出）电连通。热离子阴极106、聚焦线圈122、偏转线圈124和阳极120可以统称为热离子电子枪130。
热离子阴极106可以采取灯丝的形式（例如，钨“发夹”灯丝）。在使用中，来自高压电源的电流通过热离子阴极106被传输，从而导致热离子阴极106的电阻式加热以及从中的电子发射。热离子阴极106被偏置在例如从约60kV到约150kV的范围内的大负电压下。提取器电极132紧密靠近热离子阴极106对准，并且相对于热离子阴极106被偏置在从约+400V至约+1000V范围内的大正电压下。提取器电极132具有孔134，该孔134将热离子电子朝向处于近似接地电位的阳极120加速（例如，在z方向上），从而形成电子束（热离子e束）136。热离子e束136以高能量通过阳极120朝向聚焦和偏转线圈122、124传输。聚焦线圈122生成第一磁场，该第一磁场被配置成将热离子e束136聚焦到工件114的表面处的预定大小（例如，直径）的焦点区域140（例如，第一组件116a与第二组件116b之间的界面处的初始焊接位置）。偏转线圈124生成第二磁场，该第二磁场被配置成控制热离子e束136的平面内偏转（例如，在x-y平面中）。以这种方式，热离子e束136形成接合了第一组件116a和第二组件116b的焊缝142。
如上所指出，热离子阴极106被加热以生成电子。因此，热离子阴极106被分类为“热阴极”。然而，在典型的操作温度下（例如，约1200℃），热离子阴极106是高度反应性的，并且容易与阴极腔室104中存在的气体形成化合物。这些化合物的形成是不合期望的，这是由于与纯阴极材料相比，它们降低电子发射水平并且容易蒸发。因此，热离子阴极106的寿命受到其蒸发速率所限制。作为示例，在假定了典型蒸发速率的情况下，当热离子阴极106被维持在近似10-4托的压强下时，其寿命被限制为大致30小时。
可以通过降低阴极腔室104中的压强来增加热离子阴极106的寿命。然而，维持电子枪130内的高真空压强需要焊接腔室110也在高真空下被包围和维持。因此，降低阴极腔室104中的压强也需要同时降低焊接腔室110中的压强。作为示例，为了将热离子阴极106的压强维持在约10-5托下，焊接腔室110被维持在约10-4托的压强下。与其他接合和制造技术相比，在阴极腔室104和焊接腔室110两者中维持高真空的需要可能使电子束焊接相对昂贵。
图2-4图示了基于等离子体阴极的EBW系统的实施例，该系统用等离子体阴极代替了基于热离子阴极的EBW系统100的热离子阴极106。如下面更详细讨论的，等离子体阴极可以在显著高于热离子阴极的压强下操作。例如，如下面更详细讨论的，在正常焊接条件下，等离子体阴极可以在从约50毫托（0.05托）直到约500毫托（0.5托）的压强下操作，这比当前电子束焊接系统（诸如，基于热离子阴极的EBW系统100）中的热离子阴极106的操作压强（例如≤10-4托）高了至少两到三个数量级。作为结果，等离子体阴极的寿命可以大于1000小时（例如，热离子阴极的寿命的30倍以上）。
附加地，消除等离子体阴极腔室内的高真空的要求也减少了向下泵送焊接腔室所需的时间，从而简化了系统的真空泵要求，并且增加了系统处理时间的速率（例如，吞吐量）。例如，在正常的焊接操作中，焊接腔室可以在小于或等于约10毫托（例如，从约1毫托直到约10毫托）的压强下操作。还可以改变所公开的实施例的操作参数（例如，等离子体压强、电极偏置、脉冲频率、脉冲宽度等），以实现高束电流以及在焊接速度、组件吞吐量和成本方面的伴随改进。
在某些实施例中，阴极腔室的压强可以高于等离子体电子束的焦点区域（例如，在焊接腔室内）的压强。也就是说，与采用热离子阴极的EBW系统相比，采用等离子体阴极的EBW系统中的阴极腔室与焊接腔室之间的压强梯度可以反转。在关于图2-3讨论的某些实施例中，焊接腔室与等离子体阴极之间的压强梯度可以在没有差动泵送的情况下实现，这是因为在等离子体阴极腔室与焊接腔室之间存在差动泵送的孔口。
图2图示了基于等离子体阴极的EBW系统200的第一实施例，该系统200包括包含等离子体阴极的壳体202。基于等离子体阴极的EBW系统200进一步包括在壳体202的等离子体电子枪部分230内的阳极220、提取器电极208、聚焦线圈222和偏转线圈224。阶台212和工件114可以定位在壳体202的焊接腔室部分210中，焊接腔室部分210邻近等离子体电子枪部分230。
如图2中所示，等离子体阴极可以包括壳体202的等离子体电子枪部分230的等离子体阴极腔室204。等离子体阴极可以进一步包括两个等离子体电极——正纳秒等离子体（NSP）电极216b（本文中也称为+NSP电极216b）、以及负纳秒等离子体电极216a（本文中也称为-NSP电极216a）。等离子体电极216a、216b定位在等离子体阴极腔室204的相对侧，并且被配置用于与高压等离子体电源（未示出）电连通。绝缘体232（例如，陶瓷）介于提取器电极208与邻近的等离子体电极（例如，+NSP电极216b）之间。提取器电极208、阳极220、聚焦线圈222、偏转线圈224和阶台212可以如上面关于图1的基于热离子阴极的EBW系统100所讨论的那样操作。
等离子体电源可以是脉冲、高压交流AC电源。作为示例，电源电压可以是±ENSP =约±15kV至约±24kV，其具有20kHz的频率以及几纳秒的脉冲长度。
在使用中，中性气体（也被称为惰性气体）被供应到等离子体阴极腔室204。作为示例，中性气体可以是氩气。中性气体的其他示例可以包括氦气、氮气和氢气。也可以采用两种或更多种中性气体的组合。对于正常的焊接操作，等离子体阴极腔室204内的压强可以在从约50毫托至约500毫托的范围内。
同时，等离子体电源在等离子体电极216a、216b之间应用电位差。该电位差在等离子体电极216a和216b之间生成电场。脉冲电压在中性气体中创建放电，以生成等离子体242（例如，电子云和离子云）。高负偏置电极（本文中被称为−Egun）被定位在等离子体阴极腔室204中的提取开口或孔234处。利用相对于负偏置提取器电极被正偏置的附加电极从等离子体242提取电子。以这种方式形成的等离子体电子的一部分可以被提取器电极208所提取和准直。
在操作条件下，等离子体242的温度小于约200°C，并且可以被分类为“冷阴极”。相比之下，热的热离子阴极106的典型操作温度可以是约1200℃。由于其较低的操作温度，等离子体阴极展现出显著小于热离子阴极106的热发射度（emittance）。作为结果，从等离子体阴极提取并且由提取器电极208的孔214准直的等离子体电子可以展现出比热离子阴极106更低的束发射度（也被称为束发散度）。因此，使用等离子体阴极生成的等离子体电子束（等离子体e束）的焦点区域240在焊缝处可以具有较小的直径，从而允许实现更精确的焊缝。
等离子体阴极腔室的实施例可以采用多种配置。图2图示了第一配置，其中+NSP电极216b和–NSP电极216a沿着z方向彼此分离。等离子体腔室轴APC在+NSP电极216b与–NSP电极216a之间的方向上延伸。壳体202的壳体轴AH在电子束236的方向（例如，z方向）上延伸。因此，在该第一配置中，并且等离子体腔室轴APC与壳体轴AH近似对准。+NSP电极216b与应用到提取器电极208的负电子枪电位−Egun电连通。−Egun可以在从-60kV至约-150kV的范围内选择。–NSP电极216a连接到等离子体电源的另一输出。
等离子体阴极腔室204的该第一配置的优点在于：它需要三个高压馈通，每一个高压馈通用于−NSP电极216a、+NSP电极216b和提取器电极208。由于图1的基于热离子阴极的EBW系统100也采用三个高压真空馈通，等离子体阴极腔室204的该第一配置可以重新使用电子枪凸缘244和壳体202。
然而，等离子体阴极腔室204的该第一配置也可能面对关于等离子体电源的挑战。值得注意的是，等离子体电源具有输出电压的电压隔离，但是脉冲可以是非对称的。因为正等离子体电极+NSP 216b连接到−Egun，所以脉冲可能相对于等离子体电源公用是不平衡的。这可能使得隔离变压器使平均偏置电压移位，从而创建未知电压的虚拟公用，并且使修改等离子体电源成为必要。影响这种修改的一个方式可以是通过使用快速开关变压器来降低变压器的电感，并且允许所存储的能量足够快地耗散，以使虚拟公用达到约零伏。
图3中图示了具有第二等离子体阴极配置的以基于等离子体阴极的EBW系统300形式的另一个基于等离子体阴极的EBW系统。如所示出，基于等离子体阴极的EBW系统300包括具有302等离子体阴极腔室304的壳体302，该等离子体阴极腔室304被旋转使得+NSP电极316a和−NSP电极316b沿着x方向彼此分离并且与−Egun隔离。因此，壳体轴AH近似垂直于等离子体阴极腔室轴APC。除非另行指出，否则图3的基于等离子体阴极的EBW系统300的其余组件可以与上面关于图2的基于等离子体阴极的EBW系统200所讨论的相同。
等离子体阴极腔室304的第二配置的优点在于：等离子体电源输出相对于电子枪电压−Egun是对称的。也就是说，−Egun连接到等离子体电源的中性电压（公用接地）输出。因此，等离子体电源不需要修改来实现等离子体阴极腔室304的第二配置。然而，等离子体阴极腔室304和电子枪真空凸缘344相比于它们的常规设计可能需要修改。在一个方面，除了热离子电子枪部分230采用的三个馈通之外，可能需要修改以包括第四高压馈通。
在另一个方面，从等离子体242提取电子和将电子加速到（接地）阳极220可能需要新的提取器电极308和配置。一般地，用于电子束焊机的热离子电子枪使用韦纳（Wehnelt）电子光学设计，其中热离子阴极相对于阳极在高负电位处被偏置，以便使电子加速。在图3的第二配置中，等离子体电极+NSP 316a和−NSP 316b独立于枪的能量被偏置。需要安装新的电极和线缆，并且其在−Egun电压处偏置。新的电极被定位在等离子体阴极腔室304的中心周围，以便在+NSP电极与−NSP电极之间是物理平衡的。等离子体阴极腔室304具有与提取器电极208的孔334对准的孔334'，以允许电子提取。为了满足韦纳电子光学标准，新的中心电极被定位在等离子体阴极腔室304与提取器电极308之间。
下面的表1说明了针对图2的第一配置中的等离子体阴极腔室204的操作参数，其可以实现约100mA的电子束电流的提取。−NSP电极216b电连接到−Egun电压（例如，约-60kV）。提取器电极208关于−Egun电压在从约400V至约1000V的范围内被偏置，以从等离子体242提取电子。等离子体242由脉冲高压电源驱动，该电源关于−Egun被隔离和偏置。提取器电极208具有孔234'，以将电子传输到阳极220、聚焦线圈222和偏转线圈224。如上所指出，阳极、操纵元件（例如，偏转线圈224）和聚焦元件（例如，聚焦线圈222）可以类似于常规e束焊枪中使用的那些。等离子体阴极的所列出的操作参数适用于本文中讨论的所有实施例（例如，图2、3和4）。等离子体激发和束提取与等离子体阴极腔室204的配置无关。
表1——针对100mA的所提取的电子束电流的操作参数
下面的表2说明了采用等离子体阴极的60kV电子束焊枪的等离子体操作条件和输出电流及功率的最大范围。正常焊接操作的等离子体参数具有较小的范围。例如，表1给出了100mA操作的示例性参数，100mA操作可以产生近似6kW的等离子体电子束。这名义上是对于焊接有用的最低功率。这些操作参数适用于本文中讨论的等离子体阴极的所有配置（例如，图2、3和4）。然而，可以理解的是，本公开的实施例不限于所公开的操作参数，并且可以在没有限制的情况下采用其他合适的操作参数。
表2——针对60kv电子束焊接的操作参数
| 参数 | 最小值 | 最大值 |
| 等离子体电源操作频率（kHz） | 5 | 20 |
| 等离子体电源脉冲宽度（nsec） | 0.1 | 5 |
| 等离子体阴极腔室压强（毫托） | 1 | 100 |
| 偏置环电压（V） | 400 | 1,000 |
| 输出电流（mA） | 16 | 1,000 |
| 焊接功率（kW） | 1 | 60 |
作为示例，对于大于约60kW的输出功率，设想了附加的操作布置。然而，可以理解的是，等离子体电源将需要修改以在更高的等离子体e束输出功率下操作。具体地，将需要增加功率输出，以加速等离子体的较高电子通量。
如上所指出，图2-3的基于等离子体阴极的EBW系统200、300可以在几乎没有修改的情况下被改装到现有的基于热离子阴极的EBW系统的壳体中。作为示例，阳极的1mm孔——其对于基于热离子阴极的EBW系统中的韦纳偏置环是典型的——可能具有约0.09L/s的气体电导率。在这种条件下，差压强由公式1给出：
Cring* (PTC – PWC) = SWC * PWC (1)
其中Cring是气体电导率，PTC是等离子体阴极腔室的压强，PWC是焊接腔室的压强，并且SWC是焊接腔室的泵送速度。对于等离子体阴极腔室中的10毫托下的压强，假定没有泄漏，由于等离子体阴极腔室与焊接腔室之间（例如，等离子体阴极腔室内的约10毫托与焊接腔室内的约1毫托之间）的压强传输所需的时间，每秒生成小于约1升的泵可以维持等离子体阴极腔室与焊接腔室之间近似一个数量级的压强差。对于约100毫托的等离子体压强，泵速度是约每秒10升。
与热离子阴极相比，冷等离子体阴极在相对高的压强下操作的能力也允许还使用新的配置。图4图示了差动泵送的基于等离子体阴极的EBW系统400的一个示例性实施例。如所示出，差动泵送EBW系统400包括壳体402，壳体402包含等离子体电子枪404和多阶真空外壳406，该真空外壳406在本文中被称为通气管。
图4的等离子体电子枪404包括电子生成和提取部分404a以及聚焦和操纵部分404b。电子生成和提取部分404a可以包括等离子体阴极腔室、等离子体阴极、阳极和提取电极。聚焦和操纵部分可以包括聚焦线圈和偏转线圈。这些组件中的每一个可以如上所讨论的那样操作。在另外的实施例中，等离子体电极和阴极腔室可以如上面关于图2的第一配置或图3的第二配置所讨论的那样来提供。
通气管406包括多个真空外壳或阶台。如所示出，第一真空外壳VE1定位在通气管406的一端处，邻近于等离子体电子枪404的聚焦和操纵部分404b并且与其流体连通。第二真空外壳VE2定位在通气管406的相对端处。可选地，一个或多个第三真空外壳VE3可以介于第一真空外壳VE1与第二真空外壳VE2之间。真空外壳VE1、VE2、VE3中的每一个进一步经由相应的真空管线410与专用真空泵（未示出）流体连通。
将真空外壳VE1、VE2、VE3中的相应真空外壳分离的壁从等离子体电子枪404（例如，等离子体电子枪404d的远端）延伸到待焊接的组件（工件114）的表面。如此配置，通气管406的每个真空外壳VE1、VE2、VE3可以维持与邻近（例如，最近邻的）真空外壳不同的近似恒定的压强。因此，可以建立从工件114到等离子体电子枪404的预定压强梯度。也就是说，在第二真空外壳VE2与第一真空外壳VE1之间。作为示例，第二外壳VE2内的压强可以少于第一外壳VE1内的压强。当存在时，（一个或多个）第三外壳VE3内的压强在第一外壳VE1与第二外壳VE2的压强中间。可以通过使用提取器电极的小孔（例如，约1mm直径）来隔离等离子体阴极腔室。
在使用中，通气管406（例如，第二真空外壳VE2的远端）可以邻近于初始焊缝408的位置被放置成与工件114的外表面接触，并且形成真空密封412。因此，工件114的邻近于焊缝408的部分被保持在近似等于VE2的压强下。从等离子体阴极提取的电子束414在中等真空（例如，高达几托）中被传输通过聚焦和操纵部分404b，并且入射到焊缝408上。通气管406被安装在对准阶台（未示出）上，并且可以使用对准结构（例如，六足支撑件）沿着焊接缝移动。通气管406内的压强足够低以允许电子束414以最小的束发散度和吸收度从等离子体电子枪404传输到工件114。因为工件114的邻近于焊缝408的部分被维持在约第二真空外壳VE2的压强下，所以阶台和其他工件定位机构可以处于约大气压强下，或者在受控环境（诸如，干燥的氩气手套箱）中。
通气管406的实施例可以采用多种配置。在一个方面，取决于工件114与等离子体电子枪404之间的期望压强梯度，真空外壳段的数量范围可以从至少2个（例如，省略了（一个或多个）第三真空外壳VE3）到6个或更多个（例如，第一真空外壳VE1、第二真空外壳VE2和四个或更多个第三真空外壳VE3）。
一般而言，具有更多数量的真空外壳段的通气管406允许在第二真空外壳VE2与第一真空外壳VE1之间建立更多的恒定压强区，并且允许在通气管406内沿着束轴的较小的压强改变率。在两个真空外壳段的情况下，第一真空外壳VE1与第二真空外壳VE2之间的压强改变率可能相对大，并且在与高速泵流体连通的第二外壳VE2与其中电子束414被传输到焊接接头的第一真空腔室VE1之间导致显著的湍流。该湍流可能使得等离子体电子束414发散，这创建更宽的焊缝408。通过向通气管406添加更多的真空外壳（例如，增加第三真空外壳VE3的数量），可以降低通气管406内沿着束轴的压强改变率，从而减少电子束孔处的湍流。
图4的通气管的一个示例性实施例可以包括三个真空外壳VE1、VE2、VE3，并且每个真空外壳中的压强可以如下那样提供。一般而言，真空外壳被配置成在通气管406外部的大气压强与具有最低压强的第一真空外壳VE1之间创建差压强。在一个实施例中，第二真空外壳VE2可以处于约100毫托的压强下，第三真空外壳VE3可以处于约500毫托的压强下，第一真空外壳VE1可以处于约1毫托的压强下。通气管外部的环境（例如，包含阶台）可以处于近似大气压强（例如，约760毫托）下。
在另外的方面，在其中待焊接的第一和第二组件116a、116b具有大的光滑表面的情况下，阳极孔的直径可以相对大（例如，直径上约100cm）。在这种情况下，阳极孔的直径可以被设计成横跨大的焊接接头。偏转线圈可以被配置成偏转等离子体电子束414以跟踪焊缝。
在另一方面，在其中待焊接的第一和第二组件116a、116b具有不规则表面的情况下，可能难以在大的外部泵送区（例如，真空外壳VE2）与工件114之间形成可靠的真空密封412。在这种情况下，外部泵送区密封可能太小以至于无法沿着焊接接头几何形状来操纵电子束414。用于将电子束414传输到焊缝408的VE1孔可以相对小（例如，约2cm至约3cm）。在这种情况下，通气管406可以被移动以跟踪焊缝408，而不是操纵等离子体电子束414。
不规则的工件表面也可能在控制焊接过程方面创建困难。一般而言，合期望的是焊接参数（诸如，焊缝408的大小和焊接过程的温度）近似恒定，以便实现焊缝408沿着其长度的均匀性。然而，焊接参数至少部分地取决于焦点区域的大小。当通气管406在不规则表面（例如，坡或谷）上移动时，工件114与电子枪404之间的工作距离改变，这进而改变焦点区域的大小。
在认识到不规则表面可能改变焦点区域的大小并且导致焊缝的不均匀的情况下，可以修改图4的基于等离子体阴极的EBW系统400的附加实施例，以动态地调整等离子体电子束414的聚焦，以便在工件表面处维持近似恒定的焦点区域大小。如图5中所示，图4的基于等离子体阴极的EBW系统被修改为包括伸缩（telescoping）通气管500。
伸缩通气管500被配置成响应于工件表面的高度中的改变而改变长度。作为示例，伸缩通气管500的真空外壳可以包括滑动密封件，该滑动密封件被配置成在壳体轴AH的方向上滑动，从而当第二真空外壳VE2的远端接触工件表面的凸起部分时缩回，并且当第二真空外壳VE2的远端接触工件表面的凹陷部分时延伸。以这种方式，真空外壳适应于等离子电子枪404与工件114之间的工作距离WD的改变。
在使用中，伸缩通气管500可以安装到被安装在工件114的表面上方的支撑结构502（例如，机器人臂、机架、六足结构、导轨等）。支撑结构502可以被配置成关于工件114来移动基于阴极的EBW系统。如图5中所示，支撑结构502是轨道，并且基于阴极的EBW系统在沿着该轨道的路径（例如，圆形路径）中移动。为了清楚性，仅示出了伸缩通气管500。枪轨道的路径可以取作等离子体电子枪404的远端（例如，等离子体电子枪404的最靠近工件114的端部），而焊接轮廓路径504可以取作工件114的表面。可以观察到的是，工作距离WD随着伸缩通气管500沿着枪轨道移动而改变。
有益地，与常规的基于热离子的EBW系统相比，图4-5的差动泵送的基于等离子体阴极的EBW系统的实施例可以消除对大的高真空外壳的需要。
已经描述了某些示例性实施例，以提供对本文中公开的系统、设备和方法的结构、功能、制造和使用的原理的总体理解。这些实施例的一个或多个示例已经在附图中图示。本领域技术人员将理解，本文中具体描述并且在附图中图示的系统、设备和方法是非限制性的示例性实施例，并且本发明的范围仅由权利要求所限定。结合一个示例性实施例来说明或描述的特征可以与其他实施例的特征组合。这种修改和变化意图被包括在本发明的范围内。此外，在本公开中，实施例的相像命名的组件一般具有类似的特征，并且因此在特定实施例中，每个相像命名的组件的每个特征不一定被完全阐明。
如本文中遍及本说明书和权利要求使用的近似语言可以被应用以修饰任何定量表示，该定量表示可以获准变化，而不导致与其相关的基本功能中的改变。因此，由诸如“约”、“近似”和“基本上”之类的一个或多个术语修饰的值将不限于所指定的精确值。在至少一些实例中，近似语言可以对应于用于测量该值的仪器的精度。在这里并且遍及本说明书和权利要求，范围限制可以被组合和/或互换，这种范围被标识并且包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另行指示。
本领域技术人员将基于上面描述的实施例而领会本发明的另外特征和优点。因此，除了所附权利要求所指示的以外，本申请将不受已经特别示出和描述的内容所限制。本文中引用的所有出版物和参考文献都通过引用以其整体明确并入。
Claims (20)
1.一种系统，包括：
电子枪，其包括冷阴极电子源和提取电极；
聚焦系统，其被配置成将从电子枪提取的电子束聚焦到焦点区域；以及
壳体，其包括所述电子枪并且在电子束的方向上沿着壳体轴延伸；
其中冷阴极源被配置成在高于电子束的焦点区域处的第二操作压强的第一操作压强下发射电子。
2.根据权利要求1所述的系统，其中冷阴极电子源是等离子体阴极，包括：
等离子体阴极腔室；
第一等离子体电极，其被安装到等离子体阴极腔室的第一壁；以及
第二等离子体电极，其被安装到等离子体阴极腔室的与第一壁相对的第二壁；
其中等离子体阴极腔室的轴在第一与第二等离子体电极之间的方向上延伸。
3.根据权利要求2所述的系统，其中等离子体阴极被配置成生成具有小于约200℃的电子温度的等离子体。
4.根据权利要求2所述的系统，其中等离子体阴极腔室轴与壳体轴近似对准。
5.根据权利要求2所述的系统，其中等离子体阴极腔室轴近似垂直于壳体轴。
6.根据权利要求1所述的系统，其中第一操作压强在从约50毫托至约500毫托的范围内。
7.根据权利要求6所述的系统，其中第二操作压强在从约1毫托至约50毫托的范围内。
8.根据权利要求1所述的系统，其中壳体包括所述电子枪和包围焦点区域的焊接腔室。
9.根据权利要求1所述的系统，其中壳体进一步包括在耦合到所述电子枪的第一端与第二自由端之间延伸的差动泵送通气管，其中所述通气管被配置成在第一端与第二端之间提供所选的压强梯度，并且其中焦点区域近似定位在第二自由端处。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述通气管包括多个真空外壳，每个真空外壳与相应的真空泵流体连通。
11.一种方法，包括：
由包括冷阴极源和提取电极的电子枪来生成第一压强下的电子；
由提取电极来提取从冷阴极源发射的电子；
沿着包含所述电子枪的壳体的轴将所提取的电子束聚焦到焦点区域；以及
接收入射到工件的表面上的电子束的焦点区域，其中工件处的第二压强小于第一压强。
12.根据权利要求11所述的方法，其中生成所述电子包括：
接收电子枪的等离子体阴极腔室内的气体流；以及
在安装到等离子体阴极腔室的第一壁的第一等离子体电极与安装到等离子体阴极腔室的与第一壁相对的第二壁的第二等离子体电极之间生成电场，其中所述电场被配置成由所述气体形成等离子体；
其中等离子体阴极腔室的轴在第一与第二等离子体电极之间的方向上延伸。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所生成的等离子体具有小于约200℃的电子温度。
14.根据权利要求12所述的方法，其中等离子体阴极腔室轴与壳体轴近似对准。
15.根据权利要求12所述的方法，其中等离子体阴极腔室轴近似垂直于壳体轴。
16.根据权利要求12所述的方法，其中第一压强在从约50毫托至约500毫托的范围内。
17.根据权利要求16所述的方法，其中第二压强在从约1毫托至约50毫托的范围内。
18.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：将所述工件包围在焊接腔室内，其中所述焊接腔室与所述电子枪流体连通。
19.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
在所述工件的表面与通气管的自由端之间形成真空密封，所述通气管从自由端延伸到所述电子枪；以及
在所述电子枪与自由端之间沿着所述通气管的长度建立所选的压强梯度。
20.根据权利要求19所述的方法，其中建立所述所选的压强梯度包括向所述通气管的相应真空外壳应用不同水平的真空压强。
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