真空高壓電子束焊接設(shè)備驗收方案設(shè)計

陳衡 石純標(biāo) 余緯

摘要： 從安全、性能和焊接質(zhì)量等方面提出了一整套系統(tǒng)的、全面的真空高壓電子束焊接設(shè)備驗收方案，分別從電氣安全、電子槍系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和工作性能等方面詳細(xì)敘述了如何驗收一臺真空高壓電子束焊接設(shè)備，為真空高壓電子束焊接設(shè)備開發(fā)人員在設(shè)計時提供借鑒。

關(guān)鍵詞： 電子束焊接設(shè)備；電氣安全；電子槍系統(tǒng)；真空；性能試驗

中圖分類號： TP242.2，TH115

Acceptance scheme design of electron welding equipment

Chen Heng1，2，Shi Chunbiao1，2，Yu Wei1，2

（1.Institute of Mechanical Manufacturing Technology， China Academe Engineering Physics， Mianyang 621900，China；

2. National Machine Tool Production Quality Supervision Testing Center（Sichuan）， Mianyang 621900，China）

Abstract： A systemic and comprehensive program was designed to check the electron welding equipment from safety， capability and work performance. How to test a electron welding equipment was designed from electrical safety， electron gun system， vacuum system， work performance and other aspects. It provides a reference for the developers of electron welding equipment during their designing work.

Key words： electron welding equipment； electrical safety； electron gun system； vacuum； performance test

1.2絕緣電阻試驗

絕緣電阻試驗的主要目的是驗證機(jī)床動力電路、控制電路中相線/部件相對于外露可導(dǎo)電部分的絕緣能力，評判機(jī)床防漏電水平。該試驗主要參考標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 26675—2011[3]。機(jī)床電氣系統(tǒng)絕緣電阻試驗主要包括整機(jī)測試、動力電路測試以及控制電路測試，在機(jī)床驗收中主要以整機(jī)測試為主。整機(jī)測試方法為在保護(hù)接地導(dǎo)線和電源端子間施加DC500 V電壓，穩(wěn)定后測量絕緣電阻，其難點在于對測試機(jī)床電氣結(jié)構(gòu)的調(diào)整。一般情況下，需對電氣結(jié)構(gòu)作如下調(diào)整：斷開浪涌保護(hù)器件、用短接線短接動力電路的所有執(zhí)行部件的控制電器（接觸器、繼電器、空氣開關(guān)等），使動力電路處于接通狀態(tài)；短接變壓器的初級與次級；斷開控制電路與保護(hù)聯(lián)結(jié)電路的連接等。

[BT2]1.3耐壓試驗

耐壓性能是考核機(jī)床絕緣的一個重要指標(biāo)，當(dāng)外界電流出現(xiàn)高壓滲入時仍能確保電路對設(shè)備的良好絕緣，防止設(shè)備在運行中被擊穿，造成觸電或其它事故。耐壓試驗只針對動力電路，且必須在絕緣電阻試驗通過的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行。試驗在外部保護(hù)接地端子PE和相線之間進(jìn)行，試驗電壓在10 s內(nèi)從0 V上升到1 000 V，并保持5 s，如果沒有發(fā)生擊穿現(xiàn)象，則符合試驗主要參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26676-2011[4]要求。另外，外絕緣破壞性放電電壓與試驗時的大氣條件有關(guān)，放電電壓隨空氣密度增加而升高。為保證耐壓試驗結(jié)果的準(zhǔn)確，不應(yīng)在圖1所示的溫度和濕度陰影區(qū)域外進(jìn)行耐壓試驗。

除此之外，電氣安全項目中還有一個特別值得注意的地方是高壓電源的安全防護(hù)。高壓電源是電子束焊接設(shè)備的主要部分，它為電子束焊接設(shè)備提供加速電源和偏壓電源。研究表明，高壓電源在工作時，電源的內(nèi)部會產(chǎn)生過電壓或過電流以致?lián)p壞電源或IGBT，[HJ]因此必須采取保護(hù)電路來保證電源的安全工作[5]。高壓電源保護(hù)電路應(yīng)包括過壓保護(hù)電路、梯度上升及下降電路與過電流保護(hù)電路。

[BT1]2電子槍系統(tǒng)

電子槍系統(tǒng)是整個電子束焊接設(shè)備的核心部分，其性能能夠直接反映整個電子束焊接設(shè)備的好壞，是驗收的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過對于標(biāo)準(zhǔn)的分析與所內(nèi)多年使用、維護(hù)經(jīng)驗指導(dǎo)，總結(jié)出以下幾個電子槍系統(tǒng)重點檢測項目：加速電壓、束流、聚焦電流等。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《Welding-Acceptance inspection of electron beam welding machines-Part 1：Principles and acceptance conditions》 ISO 14744-1中規(guī)定。表2中給出的檢測項目限值是根據(jù)國外多年測試數(shù)據(jù)積累給出。若無特殊要求，以下限值的設(shè)定能夠為電子槍系統(tǒng)的性能評判提供準(zhǔn)確、可靠的基準(zhǔn)。

電子槍系統(tǒng)參數(shù)的測量一般是通過引出測試點進(jìn)行測量。根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)，測量時，各參數(shù)應(yīng)該進(jìn)行如下配置。

（1）紋波：加速電壓和束流的紋波應(yīng)該在如下參數(shù)配置情況下分別測量。①額定最大加速電壓+額定最大束流；額定最大加速電壓+0.5倍額定最大束流；額定最大加速電壓+0.1倍額定最大束流；②額定最小加速電壓+額定最大束流；額定最小加速電壓+0.5倍額定最大束流；額定最小加速電壓+0.1倍額定最大束流。聚焦電流的紋波應(yīng)該在額定最大值與額定最小值兩種情況下分別測量。

（2）穩(wěn)定性：加速電壓、束流以及聚焦電流的穩(wěn)定性應(yīng)該在如下參數(shù)配置情況下測量：額定最大加速電壓+0.1倍額定最大束流+0.5倍（額定最大聚焦電流+額定最小聚焦電流）；連續(xù)運行時間不少于30 min。

（3）重復(fù)性：加速電壓、束流以及聚焦電流的重復(fù)性應(yīng)該在如下參數(shù)配置情況下測量：0.5倍（額定最大加速電壓+額定最小加速電壓）+0.5倍額定最大束流+0.5倍（額定最大聚焦電流+額定最小聚焦電流）；開關(guān)5次進(jìn)行重復(fù)測量。

[BT1]3真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)一般包括電子槍真空系統(tǒng)（分子泵前級泵、分子泵）、室低真空系統(tǒng)（旋片泵、羅茨泵、低真空閥）、室高真空系統(tǒng)（擴(kuò)散泵、高真空閥）以及擋板閥、放氣閥、真空測量儀器等，它主要用于維持電子槍和真空室的真空狀態(tài)，以滿足零件焊接的需要。

[BT2]3.1真空度

從電子束的加工工藝來說，焊接質(zhì)量很大程度上取決于真空系統(tǒng)的環(huán)境。真空度的提高不但可以減少高速電子束的減速和阻尼現(xiàn)象，而且抽真空的效率對電子束的整個加工時間起著決定性的作用[6]。真空系統(tǒng)的真空度和抽真空時間的評判可以參照表3中的要求進(jìn)行。

3.2真空系統(tǒng)噪聲

真空系統(tǒng)的組成必然決定了其在運行過程中會產(chǎn)生大量的噪聲，然而噪聲是一種影響十分廣泛的環(huán)境污染，對人的生理和心理都有嚴(yán)重影響。特別是在企業(yè)的機(jī)加車間，機(jī)床的噪聲危害很大，如果達(dá)到80 dB（A）以上，將對工人的聽覺健康、注意力和情緒造成嚴(yán)重威脅[7]。文中借鑒GB/T 9061—2006 《金屬切削機(jī)床通用技術(shù)條件》中的方法使用2型聲級計，按照圖2測試點位置進(jìn)行測量，噪聲水平不應(yīng)超過80 dB（A）。

除此以外，真空室的真空度保持能力也

是評判真空系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，以真空泄漏率表示。具體試驗方法為：首先測量真空室容積V；當(dāng)真空室達(dá)到工作真空度后，讀取真空度P1，時間t1；停止真空泵對真空室抽氣；經(jīng)過一定時間t2（一般為12 h）后，讀取此時的

式中：V為真空室容積，單位為m3；P1與P2分別為停止真空泵前后的真空室氣壓，單位為Pa；t1與t2分別為停止真空泵前后讀取真空室氣壓的時間值，單位為h。

4性能試驗

4.1空運轉(zhuǎn)試驗

電子束焊接設(shè)備在驗收的時候需要進(jìn)行空運轉(zhuǎn)試驗，檢測各項功能是否正常。其空運轉(zhuǎn)試驗可按照表4進(jìn)行。

4.2負(fù)荷運轉(zhuǎn)試驗

負(fù)荷運轉(zhuǎn)試驗應(yīng)在空運轉(zhuǎn)試驗合格后進(jìn)行，并對其工作臺最大承載試驗、連續(xù)焊接試驗等項目進(jìn)行檢測。焊縫電子觀察系統(tǒng)的性能檢測也在此階段進(jìn)行，以能否清晰觀察到焊縫位置為判定標(biāo)準(zhǔn)。[FL）]

傳動軸在全行程內(nèi)移動，進(jìn)給和回退動作應(yīng)靈活，限位可靠，無爬行現(xiàn)象。檢驗手輪（柄）操縱力及其反向空程量。

（1）電器檢查：通電后檢查各指示燈、顯示器、繼電器、接觸器等的工作狀態(tài)是否正常。操作程序按使用說明書；

（2）電源參數(shù)檢驗：真空電子束焊接設(shè)備的供電電源應(yīng)是三相動力電源系統(tǒng)，且網(wǎng)壓波動不能超過±10%；

（3）急停器件急停動作試驗5次，應(yīng)符合GB 5226.1的規(guī)定。

控制系統(tǒng)功能試驗[]

控制系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行如下試驗：

（1）多軸運動；（2）燈絲加熱優(yōu)化；（3）高頻掃描；（4）焊縫成形；

（5）其它。

工作液系統(tǒng)試驗[]在設(shè)計規(guī)定的最高工作液壓力下，應(yīng)符合以下要求：（1）容器、泵、閥、管路、管接頭處不應(yīng)滲漏；

（2）壓力和流量調(diào)節(jié)裝置應(yīng)靈敏、可靠；壓力表和流量表指示應(yīng)靈敏、正確。[BG）F][HT]

4.3幾何精度

電子束焊接設(shè)備精度檢驗應(yīng)在負(fù)荷運轉(zhuǎn)試驗前進(jìn)行，試驗后須復(fù)檢精度（可根據(jù)情況抽查某些項目）。電子束焊接設(shè)備幾何精度檢測包括工作臺x向（y向）運動在水平面的直線度、工作臺x向（y向）運動在垂直面的直線度、轉(zhuǎn)臺徑向跳動以及轉(zhuǎn)臺端面跳動等項目。檢驗過程中不應(yīng)調(diào)整影響機(jī)床性能、精度的機(jī)構(gòu)和零件，否則將對復(fù)檢精度產(chǎn)生一定影響。

[BT2]4.4試件評定

電子束焊件檢驗項目主要包括力學(xué)性能、外觀質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量和致密性檢查四部分[8]。焊件最大深寬比能夠集中體現(xiàn)電子束焊接設(shè)備的工作性能，因此將其也作為評判焊接質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，且高性能的電子束焊接設(shè)備焊件最大深寬比能夠達(dá)到20∶[KG-*2]1以上。

4.5其它

電子束焊接設(shè)備檢測除了需要完成上述的幾個主要項目以外，還存在一些其它需要重點檢測的內(nèi)容，例如真空室尺寸、電子束偏轉(zhuǎn)控制裝置、運動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。這些都是能夠直接影響設(shè)備是否合格、能否順利通過驗收的重要因素。

5結(jié)束語

提出從電氣安全、電子槍系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和設(shè)備性能等方面對電子束焊接設(shè)備進(jìn)行檢查驗收，是對長期開展電子束焊接設(shè)備檢測活動的總結(jié)。檢測項目根據(jù)國家及國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)梳理，項目齊全，條理清晰，檢測方法可行。為今后電子束焊接設(shè)備設(shè)計人員提供了系統(tǒng)的依據(jù)，有利于電子束焊接設(shè)備市場朝著更加正規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的方向發(fā)展。

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