電子束焊機(jī)用高壓電源的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

1概述

電子束焊機(jī)的工作原理是陰極加熱發(fā)射的電子經(jīng)高壓電場(chǎng)加速后形成能量密度極高的電子束，如果用此高能電子束撞擊工件，巨大的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁构ぜ刍?，從而?shí)現(xiàn)對(duì)工件的焊接[1]。它涉及到高電壓技術(shù)、電子光學(xué)、真空技術(shù)、精密機(jī)械制造、自動(dòng)化技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)等，是一高科技工業(yè)產(chǎn)品。在上世紀(jì)中葉，由于一些特殊材料的焊接需要，人們開(kāi)始利用電子束焊滿足特殊焊接要求，另外也由于電子束焊具有優(yōu)良的焊接性能，在西方國(guó)家獲得了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。上世紀(jì)60年代以來(lái)，我國(guó)因國(guó)防工業(yè)、航空航天、原子能工業(yè)等高科技產(chǎn)業(yè)對(duì)一些特殊焊接工藝的需要，開(kāi)始從西方國(guó)家引進(jìn)電子束焊接設(shè)備，特別是自改革開(kāi)放以來(lái)，電子束焊機(jī)引進(jìn)的數(shù)量愈來(lái)愈多，其應(yīng)用范圍也擴(kuò)展到其它工業(yè)領(lǐng)域。與此同時(shí)國(guó)內(nèi)的有關(guān)科研單位和制造廠家也開(kāi)始聯(lián)合研制電子束焊機(jī)，以滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。1978年桂林電器科學(xué)研究所研制出我國(guó)第一臺(tái)電子束焊機(jī)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)電子束焊機(jī)制造和研究零的突破，并具體應(yīng)用到火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件的焊接。到目前為止，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有關(guān)部門(mén)應(yīng)用電子束焊機(jī)已達(dá)100多臺(tái)，其中引進(jìn)焊機(jī)約占一半左右。國(guó)產(chǎn)電子束焊機(jī)經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，在技術(shù)及可靠性方面雖已有了極大的提高，但與西方發(fā)達(dá)國(guó)家的電子束應(yīng)用技術(shù)相比還有很大的差距，特別是在高壓電源的制造及控制技術(shù)方面尤其如此（目前我國(guó)還不能生產(chǎn)150kV高壓型電子束焊機(jī)）。由于高壓電源在電子束焊機(jī)中舉足輕重，為此國(guó)外的電子束焊接設(shè)備制造公司專門(mén)成立研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)，以滿足電子束技術(shù)發(fā)展的需要。鑒于此我國(guó)更需加強(qiáng)高壓電源本體制造技術(shù)和控制技術(shù)方面的研究[2]。本文重點(diǎn)介紹目前國(guó)內(nèi)外電子束焊機(jī)用高壓電源的應(yīng)用實(shí)例。根據(jù)高壓電源的特點(diǎn)及其在使用過(guò)程中出現(xiàn)的新問(wèn)題，分析高壓電源的發(fā)展方向。其目的是使我國(guó)一些應(yīng)用部門(mén)較全面了解高壓電源的發(fā)展趨勢(shì)，推動(dòng)高壓電源研究的深入開(kāi)展，從整體上提高我國(guó)電子束焊機(jī)的制造水平。

2電子束焊機(jī)用高壓電源的技術(shù)要求及分類

2.1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型的高壓電源相比，具有不同的技術(shù)特性。由于電子束焊機(jī)用高壓電源國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，本文只能根據(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)標(biāo)準(zhǔn)，歸納如下：

圖1Techmeta公司焊機(jī)用高壓電源的系統(tǒng)框圖

（1）對(duì)電源紋波和穩(wěn)定度的要求

紋波系數(shù)小于1％，穩(wěn)定度為±1％，幾乎所有的電子束焊機(jī)制造商都提出這樣的要求。其中德國(guó)PTR公司還要求中壓型的相對(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)電子束和焊接工藝決定。

（2）保護(hù)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。

（3）其它要求

較高的可靠性，屬戶內(nèi)設(shè)備，要求連續(xù)工作，外觀滿足工業(yè)設(shè)備要求，維修方便等。

2.2電子束焊機(jī)用高壓電源的分類

電子束焊機(jī)用高壓電源按控制方式、調(diào)節(jié)方式、絕緣介質(zhì)使用、電壓等級(jí)及功率、供電方式等進(jìn)行分類，具體如下：

（1）按電壓等級(jí)可分為高壓型和中壓型，前者額

定工作電壓為100kV及以上，常見(jiàn)有100kV、120kV、150kV、170kV等；后者為70kV及以下，最常見(jiàn)的為60kV和50kV。

（2）按焊接功率可分為小功率、中功率、大功率，

小功率輸出功率在3kW及以下，適用于薄件的焊接；中功率通用性較強(qiáng)，適合于通用零件的焊接；大功率主要用于大厚件的焊接如汽輪機(jī)隔板的焊接等。

（3）按絕緣介質(zhì)分主要有油絕緣型和氣體絕緣型，

前者俗稱高壓油箱，常用變壓器油或者十二烷基苯等絕緣介質(zhì)；后者正處在研究之中，適用于便攜式焊機(jī)。

（4）按供電形式可分為工頻、中頻、高頻，工頻由公

用網(wǎng)供電，中頻一般用中頻機(jī)組供電，高頻供電頻率在10kHz以上，一般采用大功率晶體管振蕩器、晶閘管變流器及其它類型的逆變器。

（5）按控制電路可分為直流伺服調(diào)壓型、晶閘

管調(diào)壓型、脈寬調(diào)制（PWM）逆變型、中頻機(jī)組調(diào)壓型、高壓真空管直接調(diào)整型。

（6）按調(diào)節(jié)方式可分為直接調(diào)整式和間接調(diào)整式，

前者指的是調(diào)節(jié)和穩(wěn)定直接在高壓側(cè)進(jìn)行；后者指的是調(diào)節(jié)和穩(wěn)定在低壓側(cè)進(jìn)行，一般通過(guò)調(diào)節(jié)升壓變壓器的原邊電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3電子束焊機(jī)用高壓電源的應(yīng)用實(shí)例

電子束焊機(jī)用高壓電源的主電路原理基本相同，通常經(jīng)過(guò)高壓變壓器升壓，再通過(guò)十二相整流（也有六相全波整流、單相全波整流等）和濾波后獲得直流高壓加到電子槍上，所不同的是調(diào)節(jié)控制電路的形式。國(guó)外有代表性的制造公司有法國(guó)的Sciaky公司、Techmeta公司，英國(guó)的CVE公司、Wantgate公司，德國(guó)的PTR公司（以前的L?B公司）、M?G公司（igm公司），烏克蘭的Paton焊接研究所等，這些制造商代表了目前國(guó)際電子束焊機(jī)制造的水平，現(xiàn)就一些典型的高壓電源應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行介紹。

3.1Techmeta公司電子束焊機(jī)用高壓電源[3]

Techmeta公司電子束焊機(jī)用高壓電源的控制原理框圖如圖1所示?？刂坪驼{(diào)節(jié)反饋信號(hào)由高壓電阻分壓器的低壓臂獲得，PI調(diào)節(jié)器在給定信號(hào)和反饋信號(hào)的作用下輸出一直流信號(hào)給電壓頻率轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成一定頻率的脈沖，此脈沖送入驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)壓器手柄來(lái)調(diào)節(jié)其輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓輸出的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)。輸出電壓的變化反映到調(diào)壓器的手柄調(diào)壓位置，依靠一套高精度的伺服系統(tǒng)來(lái)完成。由于主電路中的調(diào)壓元件為接觸調(diào)壓器，穩(wěn)定性和可靠性高，沒(méi)有諧波對(duì)電網(wǎng)的干擾，比較適用于中小功率的高壓電源使用。這種電源由于采用工頻供電，濾波電容較大，直接影響到系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，不易實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)和對(duì)高壓打火的快速保護(hù)，在大功率時(shí)接觸調(diào)壓器易發(fā)熱影響電源的長(zhǎng)期工作，高精度的伺服系統(tǒng)調(diào)試和維修相對(duì)困難。

3.2PTR公司的電子束焊機(jī)用高壓電源[4]

PTR公司的電子束焊機(jī)用高壓電源的控制原理框圖如圖2所示。PI調(diào)節(jié)器在給定信號(hào)和從高壓分壓器取得的反饋信號(hào)作用下，輸出一直流電壓信號(hào)控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而實(shí)現(xiàn)高壓的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)。德國(guó)igm公司、英國(guó)CVE、Wantgate公司、國(guó)產(chǎn)HDZ系列電子束焊機(jī)均采用這種形式的高壓電源，適用于各種功率及電壓等級(jí)，應(yīng)用范圍廣，工作比較可靠。但移相控制電路相對(duì)復(fù)雜，對(duì)電網(wǎng)有諧波污染，要求高壓濾波電容量較大，電源的體積相對(duì)較大，效率較低。由于濾波電容量較大，控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，不易實(shí)現(xiàn)高壓打火的快速保護(hù)。

圖2PTR公司焊機(jī)用高壓電源的系統(tǒng)框圖

3.3烏克蘭Paton焊接研究所的電子束焊機(jī)用

高壓電源[5]

烏克蘭Paton焊接研究所的電子束焊機(jī)用高壓電源的控制原理框圖如圖3所示。它的典型特點(diǎn)是高壓的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)直接在高壓側(cè)，具有自動(dòng)再加高壓系統(tǒng)，即在高壓打火時(shí)通過(guò)高壓真空管快速切斷和恢復(fù)高壓而不停機(jī)，不影響設(shè)備的正常焊接。PI調(diào)節(jié)器在給定信號(hào)和從高壓分壓器獲得的反饋信號(hào)作用下，輸出一直流電壓信號(hào)到功率放大電路，經(jīng)放大的調(diào)節(jié)信號(hào)輸出到真空管的第二陽(yáng)極以調(diào)節(jié)真空管的導(dǎo)通程度，輸出直流高壓便得到穩(wěn)定和調(diào)節(jié)。這種電源的優(yōu)點(diǎn)是在高壓打火時(shí)濾波電容器上的能量由于真空管的隔離而不能泄放到工件上，確保工件不至于因高壓打火而損壞。另外在產(chǎn)生過(guò)電壓時(shí)，高壓反饋信號(hào)反饋到自動(dòng)再加高壓系統(tǒng)上快速切斷高壓，一旦過(guò)壓消失，系統(tǒng)快速恢復(fù)高壓，整個(gè)作用時(shí)間在ms級(jí)內(nèi)。這種高壓電源還具有調(diào)制功能，非常適合于電子束打孔用，穩(wěn)定度高、紋波系數(shù)小。由于采用高壓真空管直接調(diào)節(jié)高壓，其附加電源多，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積加大（兩臺(tái)油箱），電子管在工作時(shí)散發(fā)大量的熱量，需加散熱裝置，電源效率相對(duì)較低，不適宜用于電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大的地區(qū)，另外電子管還存在著壽命問(wèn)題。

3.4國(guó)產(chǎn)HDZ系列電子束焊機(jī)用高壓電源[6]

國(guó)產(chǎn)HDZ系列電子束焊機(jī)用高壓電源的控制原理框圖如圖4所示，是桂林電器科學(xué)研究所于上世紀(jì)90年代推出的一種電子束焊機(jī)用的高可靠性高壓電源。它采用電動(dòng)中頻發(fā)電機(jī)組供電，依靠調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)高壓的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)。PI調(diào)節(jié)器在給定信號(hào)和反饋信號(hào)的作用下輸出到控制功率放大電路，以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)高壓的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)。給定信號(hào)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制，可編程邏輯控制器（PLC）的程序通過(guò)D/A特殊模塊轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量給PI調(diào)節(jié)器，能較容易實(shí)現(xiàn)高壓的軟起動(dòng)和軟關(guān)機(jī)。由于中頻機(jī)組與電網(wǎng)隔離，故電網(wǎng)電壓的波動(dòng)對(duì)電源影響較小。采用中頻供電，電源的紋波小，濾波電容量小，能相對(duì)減小電源本體的體積。不足之處是發(fā)電機(jī)的噪聲較大，中頻機(jī)組也增大了整個(gè)電源的占地面積。控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，較適宜于30kW及以下的應(yīng)用場(chǎng)合。

4電子束焊機(jī)用高壓電源的發(fā)展方向

綜上所述可知電子束焊機(jī)用高壓電源主要存在兩個(gè)問(wèn)題：體積大和效率低。為此在高壓電源的研究方面主要應(yīng)從電源本體和控制技術(shù)等幾個(gè)方面進(jìn)行。

4.1絕緣介質(zhì)合理應(yīng)用和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

研究表明：采用高強(qiáng)度的絕緣介質(zhì)能有效地減小電源的體積和重量，特別是SF6高強(qiáng)度絕緣氣體在電氣設(shè)備中的成功應(yīng)用，為電子束焊機(jī)用高壓電源采用高強(qiáng)度絕緣氣體開(kāi)辟了廣闊的前景。西方國(guó)家已推出用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)的電子束焊機(jī)用高壓電源如圖5所示[7]。這種焊機(jī)的高壓電源和電子槍做成一體化，主要應(yīng)用于小功率。在高壓及大功率方面需對(duì)以下課題進(jìn)行研究：直流電壓下SF6氣體絕緣特性的研究、低壓電子元器件與SF6氣體絕緣兼容性的研究、氣體絕緣變壓器的制造技術(shù)、SF6氣體絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、氣體絕緣型高壓電阻分壓器的研制及對(duì)地雜散電容對(duì)高壓電源輸出特性的影響等。

為了減小電源本體的體積，也有研究者希望采用固體介質(zhì)絕緣，如合成絕緣材料或樹(shù)脂絕緣材料，能使高壓電源集成一體化，從而有效地減小電源的體積。此類電源的研究課題有結(jié)構(gòu)合理的模具的制造、合理的工藝配方的研究、絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、熱性能和電性能良好的絕緣材料等。

圖3烏克蘭Paton焊機(jī)用高壓電源的系統(tǒng)框圖

圖4國(guó)產(chǎn)HDZ型焊機(jī)用高壓電源的系統(tǒng)框圖

圖5電子束焊機(jī)用SF6高壓電源示意圖

圖6開(kāi)關(guān)型高壓電源的系統(tǒng)框圖

4.2控制技術(shù)的研究

隨著電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、功率電子器件技術(shù)的快速發(fā)展，人們開(kāi)始研究采用開(kāi)關(guān)電源技術(shù)來(lái)控制和調(diào)節(jié)高壓，這種電源的工作原理框圖如圖6所示。德國(guó)PTR公司和igm公司已開(kāi)展這方面的研究，并制造出小功率的樣機(jī)。開(kāi)關(guān)型高壓電源能保證電子槍在打火時(shí)，以極快的速度關(guān)斷電源，并在很快的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)高壓，保證焊接過(guò)程的順利進(jìn)行，具有理想的高壓放電保護(hù)性能。開(kāi)關(guān)型高壓電源由于供電頻率的提高，在以下幾個(gè)方面要進(jìn)行研究：高壓打火時(shí)對(duì)低壓電路的影響及保護(hù)技術(shù)的研究、高頻高壓變壓器的制造技術(shù)、濾波電容器的高頻性能的研究、克服對(duì)地雜散電容對(duì)高壓電源的電壓降落的措施及高頻下的絕緣特性的研究等。另外電力電子器件承受高電壓能力（過(guò)電壓）較差，采取合適的保護(hù)措施，提高電力電子器件的安全和穩(wěn)定性，以及如何應(yīng)用于高壓和大容量的電子束焊機(jī)是今后要進(jìn)一步研究的課題。

4.3測(cè)量及取樣信號(hào)的研究

目前高壓測(cè)量及電子束流的測(cè)量和取樣均從高壓分壓器取得，沒(méi)有進(jìn)行有效的隔離，有時(shí)導(dǎo)致干擾信號(hào)，使控制電路誤動(dòng)作，為此需增加抗干擾電路。在高壓電路中采用光電耦合技術(shù)能有效地解決干擾問(wèn)題[8]，使控制電路不受高壓打火的影響，沒(méi)有高壓干擾信號(hào)的影響，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

5結(jié)語(yǔ)

（1）電子束焊機(jī)用高壓電源的高效小型化是發(fā)展方向；

（2）氣體絕緣型和集成一體化型高壓電源能有效減小高壓電源本體的體積；

（3）開(kāi)關(guān)型高壓電源有利于提高電源的效率和減小電源的體積，是高壓電源的發(fā)展方向；

（4）進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)高電壓及大功率電子束焊機(jī)用高壓開(kāi)關(guān)電源，是電子束焊機(jī)發(fā)展的需要；

（5）光耦技術(shù)在高壓電源中的采用，能提高控制系統(tǒng)的可靠性和測(cè)量精度，值得推廣和應(yīng)用。