【導(dǎo)讀】電子束焊接的基本原理是電子槍中的陰極由于直接或間接加熱而發(fā)射電子，該電子在高壓靜電場(chǎng)的加速下再通過(guò)電磁場(chǎng)的聚焦就可以形成能量密度極高的電子束，用此電子束去轟擊工件，巨大的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使焊接處工件熔化，形成熔池，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的焊接。
根據(jù)電子束焊接的基本原理，西方國(guó)家在70年代末期研究開(kāi)發(fā)出雙金屬鋸帶電子束焊接新工藝生產(chǎn)線(xiàn)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的普通高速鋼鋸帶生產(chǎn)工藝，從而大量節(jié)省了高速鋼，并提高了鋸帶的使用壽命。雙金屬鋸帶就是把具有彈性性能好的彈簧鋼和切削能力強(qiáng)的高速鋼通過(guò)電子束焊接方法而獲得的一種新型鋸帶。我國(guó)在80年代后期相繼從德國(guó)引進(jìn)若干條生產(chǎn)線(xiàn)以滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)高速發(fā)展的需要，但還不能完全滿(mǎn)足其市場(chǎng)要求[1]。由于電子束焊接包含了機(jī)械、真空、高電壓和電磁場(chǎng)理論、電子光學(xué)、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)等多學(xué)科技術(shù)，對(duì)國(guó)內(nèi)一般廠商來(lái)說(shuō)技術(shù)難度較大，而引進(jìn)費(fèi)用又昂貴，為此桂林電氣科學(xué)研究所結(jié)合國(guó)外技術(shù)及多年從事電子束技術(shù)研究開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，研制成功了我國(guó)第一條國(guó)產(chǎn)雙金屬鋸帶生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備。其中高壓電源是雙金屬鋸帶焊接設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一，它主要為電子槍提供加速電壓，其性能好壞直接決定電子束焊接工藝和焊接質(zhì)量。為此許多電子束焊機(jī)制造商及研究機(jī)構(gòu)均對(duì)高壓電源的可靠性、高壓保護(hù)、高壓打火對(duì)焊件的影響進(jìn)行了研究，并相應(yīng)制造出具有較高性能的高壓電源，以滿(mǎn)足不同的電子束焊機(jī)的需要[2～3]。由于雙金屬焊接要求平行焊縫,要用高壓電子束焊機(jī)(100kV以上)焊接雙金屬鋸帶。目前我國(guó)還不能生產(chǎn)高壓電子束焊機(jī)，為此開(kāi)展高壓電源的開(kāi)發(fā)和研究工作是非常必要的。本文介紹的是雙金屬鋸帶生產(chǎn)線(xiàn)上的高壓焊機(jī)用的高壓電源，其控制方式、高壓保護(hù)技術(shù)與其它類(lèi)高壓電源具有不同之處，對(duì)研究高壓電源的調(diào)節(jié)技術(shù)、高壓打火保護(hù)具有借鑒意義。
圖1：高壓電源系統(tǒng)框圖
圖2：高壓電源主電路原理圖
電子束焊機(jī)用高壓電源的技術(shù)要求
電子束焊機(jī)用高壓電源與其它類(lèi)型的高壓電源相比，具有不同的技術(shù)特性。根據(jù)國(guó)外電子束焊機(jī)制造商的出廠標(biāo)準(zhǔn)、德國(guó)DIN標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)電子束焊機(jī)的技術(shù)要求，電子束焊機(jī)用高壓電源的要求具體如下：
技術(shù)要求
電子束焊機(jī)用高壓電源的技術(shù)要求由于在國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)一些廠商提出的技術(shù)要求主要為紋波系數(shù)和穩(wěn)定度，紋波系數(shù)要求小于1％，穩(wěn)定度為±1％，幾乎所有的電子束焊機(jī)制造商都提出這樣要求。其中德國(guó)PTR公司還提出了中壓型的技術(shù)要求，它要求相對(duì)紋波系數(shù)小于0.5％，穩(wěn)定度為±0.5％，同時(shí)還提出了重復(fù)性要求小于0.5％。以上要求均根據(jù)電子束斑和焊接工藝所決定。
性能要求
電子束焊機(jī)用高壓電源在操作時(shí)必須與有關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行連鎖保護(hù)，主要有真空連鎖、陰極連鎖、閘閥連鎖、聚焦連鎖等，以確保設(shè)備和人身安全。高壓電源必須符合EMC標(biāo)準(zhǔn)，具有軟起動(dòng)功能，防止突然合閘對(duì)電源的沖擊。
其它要求
較高的可靠性，屬戶(hù)內(nèi)設(shè)備，要求連續(xù)工作，外觀滿(mǎn)足工業(yè)設(shè)備要求，維修方便等。
高壓電源的工作原理和主電路
高壓電源的系統(tǒng)框圖如圖1所示，電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)流抑制電路進(jìn)入高壓升壓整流變壓器的一次，二次升壓到100kV左右。此交流高壓再經(jīng)12相整流濾波獲得160kV左右的直流高壓，加到高壓真空電子管和電子槍上，其中高壓電子管在工作時(shí)承受的電壓為40kV，這樣加在電子槍上的高壓為120kV。高壓真空電子管是用來(lái)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定高壓輸出的。根據(jù)圖1設(shè)計(jì)的高壓電源的主電路原理圖見(jiàn)圖2，由圖2知本電源為典型的串聯(lián)型直接在高壓側(cè)調(diào)節(jié)的高壓直流穩(wěn)壓電源，其主電路主要由過(guò)流抑制電路、高壓升壓整流變壓器、高壓整流電路、高壓濾波及阻容和過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)電路、高壓真空電子管調(diào)節(jié)電路等組成。高壓升壓整流變壓器、高壓整流電路、高壓濾波及阻容和過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)電路都放在油箱內(nèi)，油箱內(nèi)充滿(mǎn)變壓器油，保證電源本體在工作時(shí)的絕緣和散熱需要。由于高壓電源需連續(xù)工作，為確保工作時(shí)的熱量能及時(shí)散出，油箱內(nèi)部還設(shè)計(jì)了水冷卻系統(tǒng)。
電源各電路的組成和作用如下：過(guò)流抑制電路由三相橋式整流電路和扼流電感器組成，如果負(fù)載出現(xiàn)過(guò)流或電源由于突然合閘在變壓器內(nèi)引起電磁暫態(tài)過(guò)程而出現(xiàn)大電流等現(xiàn)象時(shí)，過(guò)流抑制電路能有效限制電源內(nèi)部出現(xiàn)過(guò)電流，以保護(hù)電源不受損壞。其原理主要是利用電感電流不能突變的特性限制過(guò)電流，確保高壓變壓器不損壞。正常時(shí)，三相電流平衡，流入過(guò)流抑制電路的電流很小。整流變壓器二次為四線(xiàn)圈分別接成星型和三角型各2組，各組整流后串聯(lián)獲得12相直流脈動(dòng)電壓，有利于降低諧波電流對(duì)電網(wǎng)的污染、減少濾波電容量和減小電源的紋波系數(shù)，提高電源本身性能。整流電路由高壓硅堆和阻容元件組成，阻容電路主要防止高壓硅堆產(chǎn)生的過(guò)電壓，保證高壓硅堆不致?lián)p壞。限流電阻和保護(hù)電阻分別用來(lái)限制電源內(nèi)部的過(guò)電流、過(guò)電壓，保證電源的正常工作，要求電阻耐壓水平較高、承受發(fā)熱功率較大。當(dāng)電源外部短路時(shí)，保護(hù)電路能在盡可能短的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，使得各有關(guān)元器件不致?lián)p壞。高壓濾波電容器濾除直流輸出中的交流脈動(dòng)成份，保證加在電子槍和調(diào)整管上的電壓平直。電容芯子直接放置在高壓油箱內(nèi)，能減小電源本體的體積。調(diào)整管為一多極高壓真空電子管，其工作耐壓水平達(dá)160kV，主要有陽(yáng)極、控制極、第一、二、三陽(yáng)極等組成，調(diào)整管的陽(yáng)極接在高壓整流器的正極，調(diào)整管陰極通過(guò)束流取樣電阻連接到大地。調(diào)整管能在控制電路的作用下自動(dòng)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定高壓輸出。高壓調(diào)整管由于工作電壓高，在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，為此設(shè)計(jì)了特殊的散熱裝置，即把整個(gè)調(diào)整管放在一裝絕緣油的油箱中，以確保冷卻和絕緣需要，油箱內(nèi)部還裝有專(zhuān)用散熱的水冷系統(tǒng)，以保證調(diào)整管能長(zhǎng)期可靠工作。調(diào)整管的輔助電源很多，考慮到散熱和布局需要也放在油箱內(nèi)。調(diào)整管的調(diào)節(jié)原理是其陰極由于加熱而發(fā)射電子。電子在陽(yáng)極高壓的加速下，分別到達(dá)第二陽(yáng)極和陽(yáng)極，如果第二陽(yáng)極的電壓很高，受加速的電子就會(huì)全部到達(dá)第二陽(yáng)極，此時(shí)電子管處于高阻狀態(tài)，電源上的電壓全加在調(diào)整管上。只要調(diào)節(jié)第二陽(yáng)極電壓的大小，調(diào)整管上的電壓也得以調(diào)節(jié)，這樣加在電子槍上的高壓也得以調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓輸出的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。
電源的控制電路
電源的控制電路如圖3所示，由圖3知，控制電路由反饋信號(hào)隔離電路、PI給定調(diào)節(jié)電路、自動(dòng)重加高壓電路、功率放大電路及其附屬電路等組成，各電路的組成及工作原理如下：
反饋電路
反饋電路由高壓電阻分壓器、信號(hào)隔離電路、過(guò)壓過(guò)流抑制元件等組成。高壓電阻分壓器由2路相互獨(dú)立的精密金屬膜電阻制成，1路用來(lái)測(cè)量高壓，1路提供反饋信號(hào)給控制電路用以控制和調(diào)節(jié)高壓。高壓電阻分壓器放置在由有機(jī)玻璃制成的支架上，考慮到絕緣和散熱的需要將其放在高壓油箱里，以保證電源工作時(shí)電阻值的穩(wěn)定，最終保證取樣信號(hào)的穩(wěn)定。高壓電源在工作時(shí)，由于電子槍放電或外部其它原因，電源內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，為防止過(guò)電壓竄入控制電路損壞低壓電子元器件，在取樣電阻兩端并聯(lián)高壓放電管、壓敏電阻及電容吸收電路，同時(shí)取樣電阻都放在電磁屏蔽盒里，能有效地防止各種電磁干擾信號(hào)進(jìn)入控制電路。高壓分壓器的取樣信號(hào)在進(jìn)入控制電路以前還設(shè)置了信號(hào)隔離電路使得反饋信號(hào)與控制電路相互隔離，并同時(shí)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)給控制電路，以上措施確保了控制電路中的反饋信號(hào)的準(zhǔn)確性。
圖3：高壓電源控制電路電原理圖
PI調(diào)節(jié)電路
PI調(diào)節(jié)電路[4]由運(yùn)算放大器及外接電阻、電容元件組成，它把給定信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行比較，其差值經(jīng)放大后給預(yù)放大管，以控制放大管的輸出。在PI調(diào)節(jié)電路中還設(shè)置了調(diào)試給定電路，其目的是為了高壓電源調(diào)試用。在試驗(yàn)時(shí)，給定信號(hào)由Rtest供給，調(diào)節(jié)Rp的值，高壓輸出即可由零到額定值調(diào)節(jié)，有利于焊接工藝試驗(yàn)和高壓電源的參數(shù)調(diào)整。
自動(dòng)重加高壓電路
自動(dòng)重加高壓電路的原理是利用三極管的控制原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓的快速截止和導(dǎo)通。它由運(yùn)算放大器和三極管等電路組成。它的工作原理是當(dāng)反饋信號(hào)超過(guò)給定信號(hào)時(shí)，比例放大器IC2的輸出為高電平，V4導(dǎo)通，IC3輸出低電平，V3導(dǎo)通，V2截止，封鎖PI調(diào)節(jié)器的輸出，從而關(guān)斷高壓調(diào)整管以切斷高壓。反之，當(dāng)反饋信號(hào)小于給定時(shí)IC2輸出低電平，V4截止，IC3輸出高電平，V3截止，PI調(diào)節(jié)器正常工作，由于三極管從導(dǎo)通到截止，恢復(fù)時(shí)間很快，因此加在電子槍上高壓在控制電路的作用下很快恢復(fù)正常工作狀態(tài)而不停機(jī)，確保電子束焊機(jī)能夠正常生產(chǎn)。
功率放大電路
功率放大電路由前級(jí)預(yù)放管VL33和功率放大管VL32組成，工作過(guò)程是V2在負(fù)電源的作用下，由PI調(diào)節(jié)器輸入的調(diào)節(jié)量經(jīng)V2放大后送到真空管VL33的控制極，陽(yáng)極接到輔助電源的正極，陰極接地，控制極電壓越高（負(fù)），VL33的陽(yáng)極對(duì)地電壓越高，高壓調(diào)整管VL32的陽(yáng)極電壓越高，電子槍上的電壓越低，相反時(shí)控制電路按以上相反的過(guò)程調(diào)節(jié)電子槍上的高壓，最終實(shí)現(xiàn)電子槍上高壓的穩(wěn)定。
高壓電源的技術(shù)指標(biāo)
高壓電源應(yīng)用到雙金屬鋸帶焊接生產(chǎn)線(xiàn)時(shí)，工作穩(wěn)定，通過(guò)對(duì)電源技術(shù)指標(biāo)的測(cè)量，具體參數(shù)如下：
額定加速電壓：120kV，紋波系數(shù)<1％，穩(wěn)定度<1％；
額定電子束流：50mA，紋波系數(shù)<1％，穩(wěn)定度<1％。
電源在電子槍內(nèi)打火時(shí)，高壓電源能快速恢復(fù)而不停機(jī)。
在高壓側(cè)由高壓真空管調(diào)節(jié)高壓直流電源的輸出，其輸出特性好，紋波系數(shù)小，穩(wěn)定度高。由于調(diào)整管隔離濾波電容器，電源在過(guò)壓保護(hù)停機(jī)時(shí)，電容器上的能量不會(huì)泄放到工件上而導(dǎo)致工件的損壞。經(jīng)在雙金屬鋸帶生產(chǎn)線(xiàn)上的實(shí)際運(yùn)行，電源的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)的工藝要求。
