電子束熔絲增材制造大功率電子槍研制

桑興華， 許海鷹，， 楊 波， 彭 勇

1. 中國(guó)航空制造技術(shù)研究院 高能束流發(fā)生器實(shí)驗(yàn)室，北京 100024 2. 南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094

0 引言

傳統(tǒng)機(jī)械加工制造技術(shù)的加工周期和制造成本已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)航空航天領(lǐng)域新結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜化、大型化的需求。國(guó)內(nèi)外常用電子束、激光等高能束流熔絲成形技術(shù)制備大型復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)，部分采用該技術(shù)制備的大型結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到了裝機(jī)應(yīng)用［1-4］。

與激光熔絲成形技術(shù)相比，電子束能量轉(zhuǎn)化效率高，功率大，成形效率高，可熔絲成形難熔金屬。成形過(guò)程在真空環(huán)境下進(jìn)行，對(duì)熔池的保護(hù)效果好，成形質(zhì)量高，在中、大型構(gòu)件的增材制造領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)［5-9］。TAMINGER［10］等人開(kāi)了一套成形效率可達(dá)2 500 cm3/h的電子束熔絲增材制造裝備。Dmytro［11-12］等人開(kāi)發(fā)了一種新型電子束熔絲增材制造裝置，提高了成形精度和效率。許海鷹［13］等人研制了用于增材制造的絲束同軸電子槍?zhuān)Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單適合做室內(nèi)動(dòng)槍。董全林［14-15］等人設(shè)計(jì)并研究了10 kV太空用電子槍電子光學(xué)系統(tǒng)以及100 kV焊接用電子槍。

本研究根據(jù)電子束熔絲增材制造需求，結(jié)合理論計(jì)算，設(shè)計(jì)了電子槍結(jié)構(gòu)及其電子光學(xué)系統(tǒng)，以及聚焦及掃描線圈的驅(qū)動(dòng)電路，解決了高壓絕緣子、高壓傳輸、金屬蒸氣防護(hù)、高壓靜電場(chǎng)對(duì)電子束流品質(zhì)影響等問(wèn)題。并對(duì)所研制的電子槍進(jìn)行了測(cè)試分析，以期滿(mǎn)足束流品質(zhì)好、成形效率高、大型金屬結(jié)構(gòu)件快速制造的需求。

1 電子槍設(shè)計(jì)

1.1 電子槍結(jié)構(gòu)

研制的電子槍結(jié)構(gòu)如圖1a所示。燈絲組件、柵極、陽(yáng)極、聚焦線圈、掃描線圈從上到下依次分布且同軸。燈絲組件、柵極安裝在同軸絕緣子上，然后再通過(guò)同軸絕緣子與電子槍殼體固定，與傳統(tǒng)電子槍相比同軸絕緣子采用多層陶瓷環(huán)與金屬環(huán)高溫釬焊而成（見(jiàn)圖1b），同軸絕緣子可以保證燈絲組件和柵極的同軸度，提高電子束流品質(zhì)。在同軸絕緣子與電纜端子電聯(lián)接一端與電子槍頂蓋內(nèi)側(cè)形成一個(gè)密封腔體，內(nèi)部充滿(mǎn)絕緣油，絕緣油耐壓達(dá)到15 kV/mm 以上，在電子槍頂蓋內(nèi)側(cè)設(shè)置蛇形水冷管，設(shè)置其進(jìn)水口與出水口，蛇形水冷管連接真空室外部的水冷設(shè)備通過(guò)水冷帶動(dòng)油冷，可以冷卻同軸絕緣子，提高電子槍長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性。本文研制的電子槍通過(guò)電纜端子上的至少3根相互絕緣導(dǎo)體的高壓電纜與真空室外高壓逆變電源電聯(lián)接；電纜端子采用環(huán)氧樹(shù)脂固化密封，高壓電纜的3 根導(dǎo)體分別與燈絲組件兩端以及柵極聯(lián)接。

圖1 電子槍結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of gas-discharge EB gun

燈絲組件、柵極、同軸絕緣子、電纜端子等組成電子槍的上段殼體部分，陽(yáng)極、分子泵、聚焦線圈、掃描線圈等組成電子槍的下段殼體部分，與傳統(tǒng)電子槍相比，上段殼體部分與下段殼體部分通過(guò)鉸鏈連接，上段殼體部分依靠鉸鏈支撐可以翻轉(zhuǎn)90°，方便用戶(hù)更換燈絲組件。

如圖2所示，電子槍中段陽(yáng)極安裝在柵極正下方的陽(yáng)極安裝座上，由于電荷空間效應(yīng)，大束流時(shí)會(huì)有部分電子不穿過(guò)陽(yáng)極孔，直接打在陽(yáng)極上，使陽(yáng)極發(fā)熱，同時(shí)陰極加熱溫度較高，對(duì)陽(yáng)極的熱輻射效應(yīng)明顯，導(dǎo)致陽(yáng)極溫度較高，故陽(yáng)極材料選用熱導(dǎo)系數(shù)較高的黃銅材料，并在陽(yáng)極安裝座上設(shè)置水冷通道，從而有效保護(hù)陽(yáng)極。與傳統(tǒng)電子槍相比，把束流通道和抽真空氣流通道分隔開(kāi)，金屬蒸氣只能通過(guò)陽(yáng)極孔一個(gè)通道進(jìn)入束源段，大大減少了金屬蒸氣對(duì)束源段的污染，延長(zhǎng)陰極使用壽命。

圖2 電子槍中段剖面Fig.2 Middle part sectional drawing of the electron gun

陽(yáng)極向下依次安裝聚焦線圈、掃描線圈等。聚焦線圈產(chǎn)生可使電子束匯聚的軸向電磁場(chǎng)，聚焦線圈內(nèi)部為在中心開(kāi)孔的“工”字型黃銅骨架上繞制的繞組，繞組由漆包線分多層均勻密繞而成，外部包裹由DT4C 材料制成的磁軛。掃描線圈設(shè)置X向、Y向線圈組，線圈通過(guò)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以使垂直入射的電子束產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，可以通過(guò)掃描電流波形設(shè)置，使電子束在絲端或成形工件表面設(shè)定區(qū)域進(jìn)行掃描，以便滿(mǎn)足特殊的成形工藝需求。

1.2 大功率移動(dòng)式電子槍的電子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電子槍的陰極、陽(yáng)極之間施加高壓，不僅對(duì)電子進(jìn)行加速，而且柵極、陽(yáng)極形面形成的靜電場(chǎng)對(duì)發(fā)散的電子有匯聚作用，在陽(yáng)極束流輸出孔附近形成電子束“注腰”，陽(yáng)極接地，電子束經(jīng)過(guò)陽(yáng)極孔輸出口后，進(jìn)入到無(wú)場(chǎng)空間，如果不進(jìn)行約束，由于運(yùn)動(dòng)的電子相互之間的斥力，電子束會(huì)逐漸發(fā)散，到達(dá)工件表面，束斑會(huì)很大，電子束束斑的平均能量密度很低，幾乎無(wú)法進(jìn)行加工，因此，還需要采用電磁聚焦系統(tǒng)保證在有效工作距離內(nèi)使電子束斑的能量密度足夠大，滿(mǎn)足熔化金屬需求。

本文研制的電子槍的電子光學(xué)系統(tǒng)不僅包括柵極、陽(yáng)極組成的靜電匯聚系統(tǒng)，也包括電磁聚焦系統(tǒng)。電子光學(xué)系統(tǒng)可以采用經(jīng)典理論公式進(jìn)行計(jì)算［16］，也可以采用模擬仿真方法確定，與經(jīng)典理論計(jì)算公式相比，模擬仿真方法更加高效［17-19］，獲得結(jié)果更加明了。采用電磁仿真軟件對(duì)研制的電子槍的電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，建立的1∶1 仿真模型如圖3所示。

圖3 仿真模型Fig.3 Model for simulated analysis

柵極、陽(yáng)極結(jié)構(gòu)主要是影響束電子束的靜電匯聚效果，并影響最終的束流品質(zhì)。利用電磁仿真軟件對(duì)柵極開(kāi)口直徑D、陰極端面到陽(yáng)極頂部的距離L、陽(yáng)極孔徑d、陽(yáng)極錐面傾角α進(jìn)行模擬仿真，如圖4所示。每次控制單一變量，仿真得到陰陽(yáng)極高壓靜電場(chǎng)分布如圖5所示，電子從陰極表面發(fā)射后受垂直電場(chǎng)線方向的力并加速運(yùn)動(dòng)，得到完整的電子束流軌跡如圖6所示，可通過(guò)比較最終工作焦點(diǎn)處電子束流密度大小來(lái)判斷電子束流品質(zhì)，電子束流密度越大證明電子束能量越集中，束斑直徑越小，束流品質(zhì)越好。

圖4 柵極-陽(yáng)極關(guān)鍵參數(shù)Fig.4 Key parameter of anode and grid

圖5 高壓靜電場(chǎng)分布Fig.5 Distribution of high voltage electrostatic field

圖6 完整束流軌跡Fig.6 Track of whole electron beam

通過(guò)仿真得到柵極開(kāi)口直徑D和焦點(diǎn)處電子束束流密度J關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 柵極開(kāi)口直徑和焦點(diǎn)處束流電流密度關(guān)系曲線Fig.7 Curve about grid gap diameter and current density at focal point

可知在D=12～16 mm 范圍內(nèi)，隨著陰極球面半徑增加，束流最終焦點(diǎn)處電流密度先增加，后減小，大約在14 mm處達(dá)到最大值，故選取D=14 mm作為最終設(shè)計(jì)柵極的球面直徑尺寸。

陽(yáng)極孔徑d與焦點(diǎn)處電子束束流密度J關(guān)系曲線如圖8所示。在d=2～5 mm 范圍內(nèi)最終工作焦點(diǎn)處電流密度隨著陽(yáng)極孔徑的增大，先增加后減小，大約在孔徑3.5 mm處達(dá)到最大。故選取d=3.5 mm作為電子槍設(shè)計(jì)時(shí)陽(yáng)極孔徑的最終尺寸。

圖8 陽(yáng)極孔徑和焦點(diǎn)處電流密度關(guān)系曲線Fig.8 Curve about anode gap diameter and current density at focal point

得到陽(yáng)極傾角α與焦點(diǎn)處電子束束流密度J關(guān)系曲線如圖9所示。在α=125°～155°變化范圍內(nèi)，最終焦點(diǎn)處電流密度隨著陽(yáng)極傾角的變化先增加后減小，在陽(yáng)極傾角約為140°時(shí)達(dá)到最大，故選取α=140°為最終電子槍陽(yáng)極傾角的設(shè)計(jì)尺寸。

圖9 焦點(diǎn)處電流密度隨陽(yáng)極傾角變化關(guān)系曲線Fig.9 Curve about anode bank angle and current density at focal point

得到陰陽(yáng)極距離L與焦點(diǎn)處電子束束流密度J關(guān)系曲線如圖10所示。在L=10～13 mm 范圍內(nèi)，隨著陰陽(yáng)極距離的增大，最終工作焦點(diǎn)處電流密度逐漸減小，大約在10 mm處達(dá)到最大值。故選取陰陽(yáng)極距離L=10 mm作為最終尺寸。

圖10 最終焦點(diǎn)處電流密度隨陰陽(yáng)極距離變化曲線Fig.10 Curve about L and current density at focal point

2 電子槍電子光學(xué)系統(tǒng)控制電路

2.1 聚焦線圈驅(qū)動(dòng)電路

設(shè)計(jì)的聚焦線圈驅(qū)動(dòng)電路采用OPA549作為主功率芯片，LA25-NP作為電流傳感器。聚焦電流控制電路如圖11所示。OPA549 具有大的輸出電流，輸出電流最大峰值10 A，可連續(xù)輸出8 A電流，可以單電源供電+8 V～+60 V，也可以雙電源供電±4 V～±30 V；具備熱關(guān)斷功能、限流功能、熱關(guān)斷指示，轉(zhuǎn)化率可達(dá)9 V/μs，具有控制參考端。

圖11 聚焦線圈驅(qū)動(dòng)電路Fig.11 Driver circuit of focus coil

LA25-NP的第2腳與第10腳、第3腳與第9腳、第4 腳與第8 腳、第5 腳與第7 腳分別連接在一起，將采樣電流最大設(shè)置為5 A。電流傳感器LA25-NP采集到流過(guò)線圈的電流將電流采樣信號(hào)IF 輸入到運(yùn)放U3B 的正端，U3B 的輸出端與U2C 的負(fù)端連接，U2C 的正端輸入聚焦電流給定信號(hào)，U2C 計(jì)算出的電流差值作為U2D的正端給定信號(hào)，將U2D的輸出信號(hào)作為OPA549的輸入信號(hào)，OPA549將該信號(hào)放大，輸入到聚焦線圈，聚焦線圈輸出電流可以根據(jù)聚焦電流給定信號(hào)Ifg進(jìn)行調(diào)節(jié)。

由于聚焦線圈內(nèi)阻達(dá)到14.6 Ω，聚焦電流采樣電阻是兩個(gè)5 Ω/10 W 電阻R01 與R02 并聯(lián)而成，而供電電源最大電壓36 V，對(duì)聚焦線圈驅(qū)動(dòng)電路的最大輸出電流進(jìn)行檢測(cè)，采用示波器檢測(cè)聚焦電流采樣電阻上的信號(hào)，檢測(cè)最大電流達(dá)到1.49 A。

2.2 偏轉(zhuǎn)掃描線圈驅(qū)動(dòng)電路

掃描線圈包含X向和Y向繞組，每個(gè)繞組所需要的驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)湎嗤?，均基于高壓大電流功率放大器OPA541 進(jìn)行設(shè)計(jì)，偏轉(zhuǎn)掃描線圈驅(qū)動(dòng)電路原理如圖12所示。

圖12 掃描線圈驅(qū)動(dòng)電路原理Fig.12 Driver circuit of scan coil

高壓大電流功率放大器Ι-2的輸出端連接到X軸方向掃描線圈的一端，掃描線圈的另外一端連接限流電阻，限流電阻再與X向霍爾電流傳感器LA25-NP 一端聯(lián)接，LA25-NP 的另外一端連接到高壓大電流功率放大器Ι-1的輸出端。當(dāng)高壓大電流功率放大器Ι-1 工作于正電壓時(shí)，高壓大電流功率放大器Ι-1 輸出放大后的正電壓，同時(shí)高壓大電流功率放大器Ι-1輸出的信號(hào)輸入到高壓大電流功率放大器Ι-2的負(fù)輸入端，經(jīng)過(guò)1∶1信號(hào)放大，高壓大電流功率放大器Ι-2輸出與高壓大電流功率放大器Ι-1輸出信號(hào)反向的波形，對(duì)掃描線圈而言，兩個(gè)功率放大器施加在掃描線圈兩端，起到“一推一拉”的效果，使得線圈兩端電壓增大一倍，提高電流變化率，提高掃描頻率［20］。Y軸方向掃描線圈驅(qū)動(dòng)原理與X軸方向掃描線圈的類(lèi)似，不再贅述。

采用TPS2024、TCAP300、AFG3022 對(duì)偏轉(zhuǎn)掃描線圈驅(qū)動(dòng)電路輸出電流進(jìn)行檢測(cè)，TPS2024 用于檢測(cè)輸入信號(hào)波形、限流電阻的電壓信號(hào)、線圈電流信號(hào)；AFG3022函數(shù)發(fā)生器用于向偏轉(zhuǎn)掃描控制電路輸出掃描波形，TCPA300配合電流探頭檢測(cè)線圈流過(guò)電流。

掃描線圈內(nèi)阻1.1 Ω，偏轉(zhuǎn)掃描線圈驅(qū)動(dòng)電路輸入電壓±24 V/2 A，檢測(cè)波形如圖13所示，CH1 為限流電阻兩端電壓波形，CH2 為輸入信號(hào)波形，CH4為流過(guò)掃描線圈的電流波形。由圖13可以看出，輸入方波信號(hào)時(shí)，偏轉(zhuǎn)掃描線圈驅(qū)動(dòng)電路輸出最大電流峰-峰值達(dá)到了2.12 A，即輸出電流為±1.06 A；輸入信號(hào)為三角波形，偏轉(zhuǎn)掃描線圈驅(qū)動(dòng)電路輸出電流峰-峰值達(dá)到2 A；掃描頻率2 kHz時(shí)，線圈中電流能夠快速變化。

3 電子槍性能檢測(cè)分析

將本文研制的大功率移動(dòng)式電子槍與真空系統(tǒng)、高壓逆變電源、PLC 控制系統(tǒng)、送絲機(jī)構(gòu)、水冷系統(tǒng)等進(jìn)行集成，組成一套電子槍電子束流品質(zhì)檢測(cè)分析試驗(yàn)平臺(tái)，如圖14所示。對(duì)電子槍的耐壓、最大束流、束流品質(zhì)、熔絲效率等進(jìn)行檢測(cè)分析。

圖14 試驗(yàn)平臺(tái)Fig.14 Experimental platform

3.1 電子槍的耐壓

在真空室的真空度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，啟動(dòng)高壓逆變電源，每隔5 min 增加-5000 V 工作電壓，逐漸增加到-75 kV以上，保持工作電壓不變，持續(xù)20 min，在此期間，電子槍沒(méi)有放電現(xiàn)象發(fā)生，表明電子槍的耐壓能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。測(cè)試結(jié)果如圖15所示，測(cè)試結(jié)果表明，本文研制的大功率移動(dòng)式電子槍耐壓達(dá)到-75 kV以上。

圖15 電子槍耐壓測(cè)試曲線Fig.15 Curve of high voltage insulation test of EB gun

3.2 輸出最大束流及束流品質(zhì)分析

電子槍最大束流輸出可以通過(guò)檢測(cè)高壓逆變電源的束流采樣電阻與電壓值進(jìn)行確定，所用束流采樣電阻為18 Ω，由兩只36 Ω/50 W 功率電阻并聯(lián)而成，當(dāng)束流達(dá)到500 mA時(shí)，高壓采樣電阻檢測(cè)波形為9 V直流電壓波形。所用高壓采樣電路由分壓電阻和高壓采樣電阻組成，分壓電阻阻值600 MΩ，由12只50 MΩ/5 W高壓電阻串聯(lián)而成，高壓采樣電阻為90 kΩ，當(dāng)電子槍工作電壓達(dá)到-60 kV，高壓采樣電阻檢測(cè)的電壓波形為-9 V 直流電壓波形。采用TPS2024 示波器檢測(cè)高壓逆變電源的一路升壓功率變壓器原邊電壓、電流波形與高壓采樣電阻、束流采樣電阻上的電壓信號(hào)，最大束流輸出時(shí)，檢測(cè)結(jié)果如圖16所示。升壓功率變壓器原邊電壓波形直接用高壓探頭檢測(cè)，升壓功率變壓器原邊電流波形采用變比500 的霍爾電流傳感器檢測(cè)，電流采樣電阻20 Ω。

CH1—高壓采樣波形；CH2—升壓功率變壓器原邊電流波形；CH3—電子束流采樣波形；CH4—升壓功率變壓器原邊電壓波形圖16 最大束流輸出檢測(cè)的功率變壓器原邊電壓、電流與束流、高壓波形Fig.16 Waves of power supply at the maximum beam current output

由圖16 可知，在電子槍工作電壓達(dá)到-60 kV時(shí)，檢測(cè)到的束流采樣電阻的平均電壓為11 V，表明最大束流輸出達(dá)到611 mA。

采用研制的電子槍樣機(jī)作為室外定槍?zhuān)捎?60 kV/350 mA 束流輸出時(shí)，拍攝的真空室內(nèi)束流照片如圖17所示。電子束流品質(zhì)評(píng)測(cè)方法較多，可以采用專(zhuān)用儀器設(shè)備檢測(cè)束斑直徑、能量密度分布等［21-22］，也可以檢測(cè)焊縫形貌對(duì)束流品質(zhì)進(jìn)行間接分析，其中采用焊縫形貌分析直觀明了，分析成本較低。TC4 鈦合金具有優(yōu)良的耐蝕性、較高的比強(qiáng)度及較好的韌性和焊接性等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、石油化工、造船、汽車(chē)，醫(yī)藥等部門(mén)都得到成功的應(yīng)用，本文選用TC4 鈦合金作為實(shí)驗(yàn)材料，驗(yàn)證電子槍性能，焊接參數(shù)為：焊接速度600 mm/min，加速電壓-60 kV，束流為425 mA，聚焦電流75 mA，工作距離300 mm。焊縫橫截面照片如圖18所示。

圖17 -60 kV/350 mA電子束流照片F(xiàn)ig.17 -60 kV/350 mA electron beam photo

圖18 TC4焊縫截面Fig.18 TC4 weld section

從圖18 可以看出，焊縫深寬比達(dá)到10∶1，焊縫深度可達(dá)到60 mm 以上，焊縫均勻，表明研制的電子槍的束斑形貌較好、能量集中、穿透能力較強(qiáng)，并且具有焊透更大厚度鈦合金的能力。

3.3 熔絲成形效率分析

在基板上堆積T 形試樣，熔絲成形前檢測(cè)基板重量G1，在基板上熔絲成形試樣后，檢測(cè)其重量為G2，熔絲成形時(shí)間t，采用Pr=（G2-G1）/t，即可計(jì)算出熔絲成形效率。堆積試樣前檢測(cè)基板重量10 kg，采用加速電壓-50 kV，束流210 mA，直徑2 mm的TC4鈦合金絲材高速送進(jìn)，連續(xù)成形5 min，熔絲成形后的基板和試樣重量10.43 kg，可以計(jì)算出熔絲成形效率達(dá)到5.16 kg/h。圖19 是采用在線觀察系統(tǒng)觀察的雙絲成形過(guò)程照片，T形試樣如圖20所示。

圖19 雙絲熔絲成形照片F(xiàn)ig.19 Photo of double wire fused deposition modeling

圖20 電子束熔絲成形T形試樣Fig.20 T type sample of electron beam fused deposition modeling

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了完整的電子槍結(jié)構(gòu)，包括油冷式金屬鑲嵌陶瓷同軸絕緣子，環(huán)氧樹(shù)脂澆注高壓傳輸電纜端子，滿(mǎn)足密封性、絕緣性以及大功率傳輸需求；結(jié)合熔絲金屬蒸氣大、長(zhǎng)時(shí)間工作陽(yáng)極溫度高的使用環(huán)境，設(shè)計(jì)了獨(dú)特的電子槍結(jié)構(gòu)，把束流通道和抽真空氣流通道分隔開(kāi)并增加了陽(yáng)極水冷系統(tǒng)，大大延長(zhǎng)了電子槍陰陽(yáng)極的使用壽命。

（2）結(jié)合電子槍使用環(huán)境，設(shè)計(jì)了聚焦線圈、偏轉(zhuǎn)線圈以及配套的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試，聚焦線圈電流0～1.49 A 連續(xù)穩(wěn)定可調(diào)，電子槍束流聚焦效果好，穿透力強(qiáng)；方波信號(hào)偏轉(zhuǎn)掃描線圈驅(qū)動(dòng)電路輸出最大電流峰-峰值達(dá)到了2.12 A，三角波波偏轉(zhuǎn)掃描線圈驅(qū)動(dòng)電路輸出電流峰-峰值達(dá)到2 A，掃描頻率2 kHz時(shí)，線圈中電流能夠快速穩(wěn)定變化。

（3）經(jīng)測(cè)試，電子槍耐壓達(dá)-75 kV以上，工作電壓-60 kV 時(shí)束流輸出達(dá)611 mA，功率大于30 kW；電子槍束流品質(zhì)好，可穿透60 mm 厚TC4 板材，熔池深寬比達(dá)到10∶1；成形效率高，TC4 的熔絲成形速度達(dá)到5.16 kg/h，能夠滿(mǎn)足大型金屬結(jié)構(gòu)件快速制造的需求。