丝束同轴冷阴极电子束源研制及其熔丝增材制造适用性研究

为了提高电子束熔丝增材制造的质量和效率，开展了丝束同轴冷阴极电子束源关键技术研究。在分析丝束同轴冷阴极电子束产生机理的基础之上，研究丝束同轴：冷阴极电子枪的结构特点；采用三级AC-DC拓扑结构、加速电源内环-外环闭环控制电路、基于气流量调节的束流闭环控制电路等，研制了丝束同轴冷阴极电子束逆变电源；基于上述技术成果研制出了丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制造样机。对丝束同轴冷阴极电子束源的束流形貌特征、逆变电源输出特性、熔丝成形工艺进行了检测分析，结果表明：与轴侧送丝的热阴极电子束熔丝成形技术相比，采用丝束同轴冷阴极电子束源的熔丝成形设备所制备的试样微观组织得到明显改善，为大型金属结构的熔丝成形提供技术储备。     

激光加热阴极式电子枪研究

针对目前主流热发射电子枪普遍存在的外加电流产生磁场从而影响热电子的问题,提出了激光加热阴极模式.该加热模式可有效消除磁场的影响,从而提高束流品质及阴极寿命.基于Q60-A电子束设备,通过仿真研究与实验验证,对激光加热阴极及电子运动过程进行系统分析,确定了激光器选型方案和束源部件结构优化方案.结果表明,推荐激光波长为1064 nm,阴极工作温度为2650 K,阴极达到工作温度所需激光功率为377 W,维持阴极工作温度基本稳定的临界功率为160 W,设计优化了新束源部件结构尺寸,当阴阳极间距离18 mm、阳极孔径10 mm、栅极球面半径20 mm时,电子束流品质理想,并通过实验验证了仿真结果的准确性及激光器选型的合理性.本研究为激光加热阴极式电子枪的系统化设计及工程化应用提供了参考依据和有益指导.     

铝钛异种合金电子束焊接接头缺陷分析

采用电子束焊接工艺对7075铝合金和TC4钛合金异种金属进行焊接,主要研究焊接缺陷的形貌特点、形成原因及控制措施。结果表明:在铝合金与钛合金异种金属电子束焊接头中出现气孔、裂纹、缩孔等缺陷,调整焊接工艺参数、改变束斑在异种母材上的相对能量分布可以消除气孔、裂纹等缺陷。同时延长焊缝金属冷却时间,使液态熔池及时补充凝固过程中产生的孔隙,利用表面焦点减小熔池体积,对焊缝内的缩孔有一定的改善。最佳焊接参数为:工作距离272 mm,电子束流18 mA,焊接速度20 mm/s,聚焦电流415 mA。试验为提高铝合金与钛合金异种金属电子束焊接接头质量提供了参考。     

丝束同轴冷阴极电子枪的研制

与传统基于热阴极电子枪的熔丝增材制造技术相比,基于丝束同轴冷阴极电子枪的熔丝增材制造技术具有明显优势。为了缩短与世界先进电子束熔丝增材制造技术的差距,通过分析丝束同轴冷阴极电子束产生机理,采用模拟仿真技术优化影响束流品质的阴极、阳极参数,根据仿真结果研制了一套具有完全自主知识产权的丝束同轴冷阴极电子枪。所研制的丝束同轴冷阴极电子枪输出束流呈现"X"形状,熔滴过渡模式可以调控,熔丝成形效率达到5.02kg/h。     

电子束熔丝增材制造大功率电子枪研制

根据电子束熔丝增材制造需求,结合理论计算,利用三维造型软件设计了电子枪结构包括阴极组件、栅极、阳极、聚焦线圈、扫描线圈;利用模拟仿真软件对电子枪结构进行优化,最终得到优化后的电子枪栅极球面直径14 mm、阳极孔径3.5 mm、阳极倾角140°、阴阳极距离10 mm、聚焦线圈匝数1 800匝、磁轭间隙30 mm、线圈内径60 mm、外径150 mm;设计了电子枪聚焦及偏转扫描驱动电路,带载测试聚焦电流最大值可达1.49 A,偏转扫描最大电流可达±1.06 A,扫描频率达2 kHz;对电子枪性能进行测试,最高耐压达到-75 kV,功率达到30 kW,TC4的熔丝增材成形效率达到5.16 kg/h。研制的电子枪结构轻便、束流品质好、成形效率高,适合于用作真空室内动枪。     

环形束斑冷阴极电子枪的研制及其束流品质优化

电子束熔丝增材制造技术适用于大中型金属构件的高效整体化成形,针对目前用于熔丝增材制造的电子枪存在的诸多缺点,设计了一种环形束斑冷阴极电子枪,建立了三维模型,对束源关键部件结构尺寸进行模拟仿真,当阴极弧面半径100?mm,阳极倾角40°时束流品质最优;根据模拟仿真结果加工制造了电子枪,经测试,其耐压可达-22 kV,最大束流可达1250?mA;选用直径2?mm的TC4焊丝在加速电压-20 kV、束流210?mA、工作台移动速度310?mm/s、送丝速度30?mm/s下进行熔丝实验,获得了良好的表面成形质量.     

冷阴极气体放电电子枪的研制

为了促进冷阴极电子束加工技术在国内的发展,在深入研究冷阴极电子发射机理基础之上,设计制造了一种自主知识产权的冷阴极气体放电电子枪,对该电子枪的结构、阴极功能及其参数、阳极功能及其参数、CST仿真软件确定聚焦线圈参数的方法进行了介绍。通过实验发现:每一种放电气体的最小"点火"电压与放电气体种类、气流量大小有关;氦、氩等纯惰性气体作为放电气体,长时间工作后会出现束流减小现象;给定加速电压及铝阴极表面的氧化膜存在条件下,输出束流随着气流量增大而增大;加速电压不变时,氦气中氧含量为1.2%~2.4%调整时,对束流输出影响不大。初步实验结果表明,所研制冷阴极气体放电电子枪采用氧含量2%左右的氦-氧混合气体作为放电气体,能够实现束流长期稳定输出,功率达到30 kW,最大束流达到1500 mA以上。     

高压逆变电子束焊接电源研制及其焊接适用性研究

为了进一步提高电子束焊机工作的可靠性和稳定性,提高电子束加工质量,采用AC-DC-AC-DCAC-DC的拓扑电路和双闭环控制策略设计制造了高压加速电源、偏压电源与灯丝加热电源。将所研制高压逆变电源与150 kV/30 kW电子枪、真空系统等组成了一套电子束焊接设备,分别测试了该电子束焊接设备输出的高压、最大束流、焊接工艺参数一致性、最大焊接深度。试验结果表明,所研制的逆变电源高压输出达到150 kV,高压输出线性度较好;工艺参数一致性较好;最大束流达到200 mA;钛合金焊接深度达到100 mm。这表明所研制的高压逆变电子束焊接电源的焊接适用性良好。     

电子束扫描线圈高速驱动器研制

针对电子束高速偏转扫描的需要，研制了一种用于驱动电子束扫描线圈的高速驱动器。具体为通过降压、补偿、差分输入的方式设计驱动器输入级电路，提高电路对高速信号的响应及处理速度；通过射极跟随方式设计电流闭环调节电路，提高电路的闭环调节速度及稳定性；通过Cadence仿真软件对主回路结构仿真设计及参数优化。根据上述结果，研制出了电子束扫描线圈高速驱动器，并对其进行测试。结果表明，其驱动感性负载时，输出电流可高速闭环响应任意输入信号，工作频率达100 kHz，最大驱动电流±2 A。     

60 kV/30 kW电子束熔丝增材高压电源研制

针对电子束熔丝增材制造工艺对设备长期稳定性与可靠性的需求，以电压双闭环的方式设计加速电源控制电路，实现加速电压在电网电压及负载特性发生变动时保持长期稳定的输出；以异步开关及均流控制的方式实现加速电源3路并联工作，降低30 kW输出功率状态下电路产生的EMI(Electromagnetic Interference)，实现加速电源在长时间大功率状态下可靠工作，并在此基础上完成了对灯丝电源、偏压电源以及轰击电源的设计，实现了对电子束熔丝增材高压电源的研制。对所研制的高压电源进行特性验证，其可在60 kV输出电压及30 kW输出功率状态下实现20 h连续稳定工作，满足电子束熔丝增材制造工艺的要求。