CN117733305B - 一种封离式电子枪及非真空电子束焊接机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子束焊接设备技术领域，具体公开了一种封离式电子枪及非真空电子束焊接机器人，包括高压电源、外壳、阴极组件、栅控组件和聚焦组件；高压电源用于驱动阴极组件发射电子束并使其加速；外壳内形成一端开口的空腔，空腔的开口端为电子束出射端，电子束出射端设置有窗；窗用于封闭空腔，栅控组件用于使所述电子束先强聚焦后发散，使其最终以分散出束的方式穿透所述窗；聚焦组件设置在外壳外，用于使穿透所述窗的电子束聚焦。本发明实现了外壳内的真空环境和外部的大气环境隔离，同时采用分散出束后再聚焦的方式，既能避免电子束的热量沉积导致窗的损坏，又能实现高功率密度下的工件焊接；能够适用于大工件焊接，且结构简单、轻量化。

Description

一种封离式电子枪及非真空电子束焊接机器人

技术领域

本发明涉及电子束焊接设备技术领域，具体涉及一种封离式电子枪及非真空电子束焊接机器人。

背景技术

电子束焊接是一种利用电子束作为热源的焊接工艺。电子束焊接技术因其高能量密度和优良的焊缝质量，率先在国内航空工业得到应用。先进发动机和飞机工业、汽车工业、机械工业等已广泛应用该技术。

传统的电子束焊接机如图1所示：由上到下依次为束流发生级100、束流调整聚焦级200和真空工作室300；高压电源11进入束流发生级100产生电子束，电子束进入束流调整聚焦级200进行聚焦出束，然后在真空工作室300内对工件400进行焊接，工件400放置在工作台500上。其中，束流发生级100包括阴极101、控制电极102和阳极103，束流调整聚焦级200包括调整线圈201、像散校正组件202、聚焦线圈203、偏转线圈204、阀门205和观察窗206。传统的电子束焊接机的特点是工件400处在真空环境中，电子束始终在真空环境下传输。电子束产生后，经过各类线圈调整聚焦，轰击工件400表面使其熔融。真空工作室300就限制了传统的电子束焊接机无法适用于大工件的焊接。

为了解决大工件无法进入真空室内进行焊接的难题，前人提出了一种特殊的非真空电子束焊机：电子束通过具有真空梯度的管道从真空中传输到大气压环境中，轰击被焊接工件使其融化。为了保证电子正常发射和传输，需要设计复杂的真空腔室结构并对电子枪所在的腔体进行一次或者两次差分抽气，实现真空过渡。为了保护电子枪和工件，通常还需要在电子束出口补充一路或者两路氦气，一部分氦气被抽到真空腔体，再被泵抽走，另一部分氦气吹扫工件表面。

上述非真空焊接技术主要的缺陷是：

电子枪与大气仍然是相连的，不能阻挡大气进入真空腔室，所以阴极的污染无法避免，造成电子束可靠性下降；为了达到满足电子枪工作的真空等条件，每次工作都需要数十分钟的长时间开机作业，效率很低。

与传统的真空焊接机相比，这种非真空电子束焊机虽然减少了放置工件的大真空腔室，但是复杂的抽真空结构与真空泵组、补气结构以及传统的束流位置偏转线圈及附属结构，导致整个电子束焊接机的机头比传统焊接机的机头更加庞大笨重，因此整个电子束焊接机和工件台仍然是相对固定的，不适用于灵活地对大型、复杂构件的异形表面进行电子束焊接。

综上所述，在现有的电子束焊接机中，为了使得电子束尽量全部聚焦传递到工件表面，电子枪与工件之间不是隔离的，而是同在一个真空空间内；或者通过差分真空相连，为了实现电子束的聚焦和与工件之间的真空过渡，需要复杂的真空、差分抽气和电磁调节控制装置。这样带来的问题是整个电子束焊接机非常笨重。

因此，设计一种新型的电子枪，并且实现一种可靠性高、使用高效、轻便灵活的非真空电子束焊接装置是我们目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种封离式电子枪，采用紧凑型的真空隔离、分散出束的方式，以解决现有非真空电子束焊接机电子枪暴露在大气气氛下可靠性低且启动时间长、结构复杂的问题。

此外，本发明还提供包括上述封离式电子枪的非真空电子束焊接机器人，基于灵活的程控机械臂机器人搭载电子枪，可以彻底实现电子束焊接机头和工件之间的空间固定关系解耦，来满足可靠性高、使用高效、轻便灵活并可用于大型复杂构件焊接的需求。

本发明通过下述技术方案实现：

一种封离式电子枪，包括高压电源、外壳、阴极组件、栅控组件和聚焦组件；

高压电源用于驱动阴极组件发射电子束并使其加速到给定能量；

外壳内形成一端开口的空腔，空腔的开口端为电子束出射端，电子束出射端设置有窗；窗用于封闭空腔，即窗用于实现电子枪内真空与外部大气的隔离，同时保证电子束可以穿透；阴极组件及栅控组件均位于空腔内；

栅控组件用于使电子束先强聚焦后发散，经过一段距离的漂移后，使其最终以分散出束的方式穿透述窗；

聚焦组件设置在外壳外，用于使穿透窗的电子束聚焦。

现有技术中，无论是真空电子束焊接机，还是非真空电子束焊接机，在外壳的电子束出射端设置有开口，该开口用于连通外壳内的真空环境和放置工件的真空工作室；或该开口用于通过差分真空连接外壳内部真空环境和外壳外的大气环境。前者不适宜大工件的焊接，后者由于采用了差分真空连接导致整个焊接机结构复杂且笨重。

现有技术之所以在外壳的电子束出射端均设置有开口，是为了使聚焦后的电子束直接到达工件表面进行焊接以减少电子束在其路径上的能量损耗。

本发明打破了惯有思维，将外壳的电子束出射端设置为封闭端，采用窗密封，实现了外壳内的真空环境与大气完全隔离，使电子枪始终工作在高真空下，可以确保电子枪长期工作的稳定性。由于采用真空封离的电子枪，外壳内始终保持高真空状态，不再需要采用差分抽真空和补气，可以随时开机，效率极高。

由于不再需要真空泵、为保护电子枪而补气的设备等结构，实现了封离式电子枪的紧凑型和轻量化。

同时，在真空隔离的要求下，为了使电子束能够到达工件进行焊接，通过提高电子束的能量，即本发明采用电子束，采用电子束才能确保电子束穿透窗损耗一定能量后仍然有足够的能量在大气下传输，并且有足够的功率用于工件焊接。即本发明采用较高能量的电子束，以损耗少量电子束能量为代价，仍然可以在工件表面注入同样功率密度的电子束进行焊接。

由于电子束要穿透一层窗，而非直接在真空中传输，如果电子束和传统焊接机一样聚焦出束，则会由于电子束的热量集中沉积导致窗的损坏，因此，与常规的电子束采用的聚焦出束相反，本发明采用了分散出束的方式，降低功率密度。在电子束穿透过窗后，再聚焦到工件表面，实现高功率密度下的焊接。

综上，本发明通过采用窗封闭外壳内空腔的电子束出射端，外壳内的真空环境和外部的大气环境隔离，同时采用分散出束后再聚焦的方式，既能避免电子束的热量沉积导致窗的损坏，又能实现高功率密度下的工件焊接。本发明的工件直接置于大气中进行焊接即可，相比现有技术将工件置于真空室内，工件直接置于大气中，尺寸就不用受到所在环境约束，解决了现有真空电子束焊接机无法适用大工件焊接，且由于本发明的电子枪为封离结构，无需抽真空设备等结构大大简化了电子枪的结构，实现轻量化，解决了现有非真空电子束焊接机电子枪暴露在大气气氛下可靠性低且启动时间长、结构复杂的问题。

进一步地，电子束的能量为100-300kV。

进一步地，电子束穿透窗的束斑的面积大于1平方厘米。

进一步地，还包括导流罩；导流罩与供气系统连接，供气系统用于向导流罩内提供冷却气体。

进一步地，导流罩设置在外壳的电子束出射端，用于对冷却气体进行导流，使冷却气体以合适的流速冲刷工件表面以及对窗进行冷却。

进一步地，冷却气体包括氦气、氩气或氮气。优选使用常温氦气，既能实现对窗的降温，又不需要采用制冷设备对氦气进行制冷。同时，采用氦气填充在窗和工件之间的通道上，相比其他气体，可以降低电子束的损失，保证电子束的聚焦品质。

进一步地，还包括液冷系统，液冷系统用于通过提供冷却水使窗降温。

进一步地，液冷系统包括冷却管，冷却管布置在窗的周边。在采用风冷（冷却气体）对窗进行冷却的前提下，液冷只需要对窗的周边进行冷却即可，因为在冷却气体保护和风冷强制冷却的条件下，窗可以安全工作在一定的高温（例如500℃）下并且达到热平衡。因此，冷却管布置在窗的周边即可实现液冷。窗的周边可以理解为，当窗为圆形结构时，冷却管可以为环形管，可以在环形管上设置一个缺口，在该缺口处分别设置进液管和出液管，通过进液管和出液管实现冷却管与外壁制冷设备形成循环回路。

进一步地，窗为铍制件、钛制件、铜制件、金刚石制件或热管散热体，窗的厚度小于0.6mm。

当窗为金刚石制件时，其表面涂覆有导电膜。

一种非真空电子束焊接机器人，包括上述的封离式电子枪，还包括机械臂和控制系统；

封离式电子枪安装在机械臂上；

控制系统用于控制机械臂动作。

本发明的非真空电子束焊接机器人通过机械臂自身的运动代替现有电子束焊接机头中的电磁场位置调整装置的功能，实现电子束斑对焊接位置的对准与移动，从而避免采用常规电子束焊接机头中的复杂的电磁控制系统，进一步大大降低了电子束焊接机头的体积和重量，并且提高电子束斑适形的灵活性。

并且，由于机械臂操作灵活，解决了现有焊接机不适用于异形构件焊接的问题。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过采用窗封闭外壳的电子束出射端，外壳内的真空环境和外部的大气环境隔离，同时采用电子束以及电子束分散出束后再聚焦的方式，不仅能确保电子枪长期工作，同时既能避免电子束的热量沉积导致窗的损坏，又能实现高功率密度下的工件焊接。

2、本发明通过设置供气系统和液冷系统，能分别对窗实现气冷和液冷，优选采用气液联合冷却，保证窗的温升在安全范围内。

3、本发明采用电子束并且采用分散出束到窗后再聚焦的方法，可以最大限度降低窗所沉积的电子束功率密度；结合采用气液联合冷却，保证窗的温升在安全范围内，使得本发明所述的密封式电子枪代替无窗的电子枪用于电子束焊接成为可能。

4、本发明采用机械臂搭载紧凑型电子枪，构成非真空电子束焊接机器人，与传统结构复杂的电子束焊接机相比，轻便灵活，适用于大型复杂构件的常压电子束焊接。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为传统的电子束焊接机的结构示意图；

图2为本发明封离式电子枪的结构示意图；

图3为本发明非真空电子束焊接机器人用于焊接工件的示意图；

图4为本发明非真空电子束焊接机器人的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

10-封离式电子枪；20-机械臂；30-控制系统；40-辅助系统；

11-高压电源；12-高压馈入线；13-阴极组件；14-外壳；15-栅控组件；16-窗；17-导流罩；18-聚焦组件；19-电子束；141-发射室；142-扩束室；

41-供气系统；42-液冷系统；43-供电系统；

100-束流发生级；200-束流调整聚焦级；300-真空工作室；400-工件；500-工作台。

101-阴极；102-控制电极；103-阳极；201-调整线圈；202-像散校正组件；203-聚焦线圈；204-偏转线圈；205-阀门；206-观察窗。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、材料或方法。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1：

如图2所示，一种封离式电子枪10，包括高压电源11、外壳14、阴极组件13、栅控组件15和聚焦组件18；外壳14内形成一端开口的空腔，空腔的开口端为电子束出射端，电子束出射端设置有窗16，窗16用于封闭空腔；即窗16用于实现外壳14内真空与外部大气的隔离，同时保证电子束19可以穿透。

其中，窗16可以是由任意能够供电子束19穿透的导电导热低密度材料制成，在一个具体案例中，窗16可以是铍制件或钛制件或表面涂覆导电层的金刚石制件或热管散热体，窗16的厚度小于0.6mm。

其中，高压电源11用于驱动阴极组件13发射电子束19并使其加速到给定能量；具体地，高压电源11置于外壳14外侧，高压电源11通过高压馈入线12与阴极组件13连接。

其中，用于使电子束19先强聚焦后发散，使其最终以分散出束的方式穿透窗16；栅控组件15和阴极组件13均设置在外壳14内，具体的，电子束19以分散出束的方式穿透窗16是指：栅控组件15将外壳14内的空腔分隔为发射室141和扩束室142；发射室141内，高压电源11驱动阴极组件13发射出电子束19，此时，电子束19先强聚焦再发散；电子束19穿透栅控组件15的中心孔后，电子束19在扩束室142中不断发散后穿透窗16。

在一个优选案例中，电子束19的能量为100-300kV。

在一个优选案例中，电子束19穿透窗16的束斑的面积大于1平方厘米。具体是通过设计阴极组件13和栅控组件15的结构，使得封离式电子枪10先强聚焦，然后在扩束室142内发散，经过一段间距的漂移，就能得到很大束斑的电子束19。

其中，聚焦组件18设置在外壳14外，用于使穿透窗16的电子束19聚焦。本实施例的聚焦组件18、阴极组件13、栅控组件15均为现有技术，不是本实施例的改进点，在此就不赘述。

在一个优选案例中，封离式电子枪10还包括导流罩17；导流罩17设置在外壳14的电子束出射端，且导流罩17设置在聚焦组件18内侧，用于对穿透窗16的电子束19进行导流。导流罩17的其中一种具体形状为：为一端大一端小的锥形结构，锥形结构内形成锥形通道，锥形结构的大端与外壳14的电子束出射端连接，小端用于在工作时对应工件400设置，在导流罩17的导流下冷却气体沿着锥形通道流动至工件400表面并吹扫工件400表面使其表面清洁并去除氧气，以供电子束19实现对工件400的可靠焊接，提高了焊接部位的可靠性。

在一个优选案例中，封离式电子枪10还包括辅助系统40，辅助系统40包括供气系统41、液冷系统42和供电系统43。

导流罩17与供气系统41连接，供气系统41用于向导流罩17内提供冷却气体；冷却气体包括氦气、氩气或氮气，冷却气体具体可以是常温氦气；氦气通入导流罩17后，对窗16进行吹扫冷却。供气系统41具体可以包括存气罐、输送管道以及对应的阀门等，均为现有技术，在此就不赘述如何实现供气。

液冷系统42用于向窗16提供冷却水，液冷系统42采用液冷方式使窗16降温。

液冷系统42包括冷却管，冷却管布置在窗16的周边。在一个具体案例中，窗16为圆形结构，冷却管为环形管，环形管设置在窗16外侧，二者可以是同轴设置，在环形管上设置一个缺口，在该缺口处分别设置进液管和出液管，通过进液管和出液管实现冷却管与外壁制冷设备形成循环回路。采用的制冷设备为现有技术。

实施例的封离式电子枪10与配套的供气系统41、液冷系统42和供电系统43通过气管、水管和电缆连接；其中，供电系统43用于为封离式电子枪10中所需用电设备进行供电。

优选采用液冷-氦冷这种特殊的气液联合冷却的方式，对窗16进行冷却，并降低电子束19的损耗。

本实施例采用电子束19并且采用分散出束窗16后再聚焦的方法，可以最大限度降低窗16所沉积的电子束功率密度；结合采用气液联合冷却，保证窗16的温升在安全范围内，使得本实施例的封离式电子枪10代替无窗的电子枪用于电子束焊接成为可能。

在一个具体案例中，本实施例的封离式电子枪10采用脉冲形式出束，束流脉冲时间长度小于100ns。

本实施例的工作过程为：

高压电源11驱动阴极组件13发射电子束19，在阴极组件13和栅控组件15之间电场的作用下，电子束19以扩束分散的方式传输，并以分散分布的状态穿透窗16；电子束19透过窗16后在被外壳14外部的聚焦组件18聚焦到工件400上，形成足够的功率密度，足以熔融工件400完成焊接。电子束19在穿过窗16后的传输在导流罩17内，导流罩17内通入常温氦气，氦气可以降低电子的损失，并可以冷却窗16和保护工件400表面。电子束19穿过窗16时，会有少量能量沉积在窗16中导致窗16发热，因此采用风冷结合液冷可保证窗16的温度可控。

本实施例采用窗16密封，可以确保封离式电子枪10长期工作的稳定性；不再需要采用差分抽真空和补气，可以随时开机，效率极高。且结构简单轻量化。

综上，本实施例的封离式电子枪10在窗16液冷、导流罩17内氦气的保护下，封离式电子枪10在高压电源11的驱动下发射100-300kV的电子束19，电子束19聚焦到工件400的待焊接位置完成焊接。

实施例2：

如图3、图4所示，一种非真空电子束焊接机器人，包括如实施例1所述的封离式电子枪10，还包括机械臂20和控制系统30；

封离式电子枪10安装在机械臂20上；

控制系统30用于控制机械臂20动作，控制系统30为现有技术，以及如何控制机械臂20动作也是现有技术，在此不赘述。

由于实施例1中的封离式电子枪10实现了结构简单化、轻量化，可以很方便的装在机械臂20上；通过成熟的机械臂20控制，可以灵活高效地对大型复杂工件进行焊接。

本身实施例的非真空电子束焊接机器人采用机械臂20搭载紧凑型封离式电子枪10，可以实现可靠性高、使用高效、灵活的非真空电子束焊接装置，用于大型复杂构件的常压电子束焊接。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要注意的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

Claims (2)

1.一种封离式电子枪，其特征在于，包括高压电源（11）、外壳（14）、阴极组件（13）、栅控组件（15）和聚焦组件（18）；

所述高压电源（11）用于驱动所述阴极组件（13）发射电子束（19）并使其加速；

所述外壳（14）内形成一端开口的空腔，所述空腔的开口端为电子束出射端，所述电子束出射端设置有窗（16）；所述窗（16）用于封闭所述空腔，所述阴极组件（13）及所述栅控组件（15）均位于所述空腔内；

所述栅控组件（15）用于使所述电子束（19）先强聚焦后发散，使其最终以分散出束的方式穿透所述窗（16）；

所述聚焦组件（18）设置在所述外壳（14）外，用于使穿透所述窗（16）的所述电子束（19）聚焦；

所述电子束（19）的能量为100-300kV；

所述电子束（19）穿透所述窗（16）的束斑的面积大于1平方厘米；

还包括导流罩（17）；所述导流罩（17）与供气系统（41）连接，所述供气系统（41）用于向所述导流罩（17）内提供冷却气体；

所述导流罩（17）设置在所述外壳（14）的电子束出射端，所述导流罩（17）用于对所述冷却气体导流；

所述冷却气体包括氦气、氩气或氮气；

还包括液冷系统（42），所述液冷系统（42）用于通过提供冷却水、油或液态金属使窗（16）降温；

所述液冷系统（42）包括冷却管，所述冷却管布置在所述窗（16）的周边；

所述窗（16）为铍制件、钛制件、铜制件、金刚石制件或热管散热体，所述窗（16）的厚度小于0.6mm；

所述电子束（19）穿过所述窗（16）后经过所述聚焦组件（18）聚焦对工件进行焊接。

2.一种非真空电子束焊接机器人，其特征在于，包括如权利要求1所述的封离式电子枪（10），还包括机械臂（20）和控制系统（30）；

所述封离式电子枪（10）安装在所述机械臂（20）上；

所述控制系统（30）用于控制所述机械臂（20）动作。