电子焊接诊断传感器研制

电子束焊接是一种高功率密度的焊接方法。与传统熔焊方法相比,具有热影响区小、焊缝深宽比大、焊接变形小、真空中焊缝的化学成分纯净等特点,因此电子束焊接适合于难熔和热敏感性材料的焊接,穿透及深度焊接,精密焊接等有特殊要求的焊接。对于一台电子束焊机,为研究电子枪的理论设计与实际的差异,电子枪供电系统的稳定度与真空度变化等因素对电子束斑点直径与功率密度分布的影响,以及束斑尺寸与位置对焊缝成形的影响,需要精确地研究束流的特性,定量地测得电子束焦点的位置、直径及束流功率密度的分布等束流的品质特征[1-3]。目前,电子束焊接焦点的测量有小束流经验法、AB测试法、探针式测试法、阀值功率密度测试法以及DIABEAM测试法[4-6]。其中小束流经验法只能大致判断焦点位置,操作者的经验影响因素较大;日本Arata教授发明的Arata-BeamTeatMethod(AB法),焊缝熔宽的测量很困难;探针式测试法由于探针直径很小,在大功率密度下很快被烧化,只适用于小功率密度的测量,同时还有二次电子发射,将影响测量精度;阀值功率密度测试法也是基于法拉第筒,但其依赖于假定的功率密度为高斯分布,具有局限性;DIABEAM测试法所采用的法拉第筒深度与筒口直径比值小,不利于二次电子的收集。在现有电子束流测试技术中,法拉第筒是常用的带电粒子束流强度传感测量仪器,其结构一般是一个筒状的接收电极,是法拉第首先设计和使用的,因而常被称为法拉第筒。当带电粒子被法拉第筒接收,流经取样电阻,构成回路,就可以测得带电粒子的束流强度[7-9]。本文针对中高压电子束焊机5~100mA的电子束流,研制用于电子束焊接束流诊断的法拉第筒传感器,实现电子束流功率密度信号的传感采集。

1束流诊断原理

电子束焊接束流诊断系统的测试原理图如图1所示。在焊机偏转控制系统的驱动下,偏转线圈Ⅱ可以控制大功率电子束流偏摆扫描。束流诊断开始前电子束流首先发生大角度偏转至能量吸收装置上等待测试,这样可以防止电子束长时间作用于法拉第筒传感装置上而损坏传感器。当测试开始后,电子束焊机通过偏转线圈Ⅱ控制电子束流高速扫描,扫描过程如图2所示,法拉第筒传感器上表面有一孔径固定的针孔(pinhole),电子束流在偏摆扫描时进入针孔的电流被法拉第筒收集(图2中长条形A就是电子束流一次扫描过程进入针孔的区域),收集的电流经过电流/电压转换电路,使之转换成电压信号。传感器内多级放大电路对转换后的微小电压信号进行放大,最后电压信号被高速数据采集卡采集并存储在工控机中。

2法拉第筒结构和传感器电路设计

对于法拉第筒,为了完全把带电粒子阻止在筒底,筒底需一定的厚度,这个厚度必须大于带电粒子在筒底的射程D为式中,E为单能电子的最大能量,单位为MeV,(0•01MeV≤E<2•5MeV);D为质量厚度,单位为kg/m2;ρ为材料的密度,单位为kg/m3。实验使用ZD150-15A型电子束焊机的加速电压为0•15MeV,则电子在黄铜中的射程约为0•03mm,在铝中的射程约为0•1mm,在钨中的射程约为0•01mm,在设计传感器时必须保证材料的厚度远大于对应的电子射程。圆盘状钨片被夹具固定在屏蔽外壳的上表面,其尺寸为Φ3mm×0•2mm,并在钨片的中心加工一个直径25μm的通孔,钨的高熔点可以保证多次测量后孔的形状几乎不变。收集电极的作用是收集从钨片中心小孔入射的电子,以H62黄铜为电极材料,电极入射孔采用双孔结构,这种结构有效地阻止了二次电子和背散射电子的逸出,提高了电子束流的收集效率,外孔直径为2mm,内孔直径为1•5mm,两个孔的中心轴处于同一轴线上,两个孔的上表面相距6mm,电极内腔尺寸为18mm×12mm×2mm,电极除底部壁厚5mm外,其余为1mm,底部中心位置螺纹孔M2×3mm,用于固定屏蔽电缆。收集电极与屏蔽外壳之间的绝缘层材料使用环氧树脂,其厚度除底部为2mm,其余部分为1mm。所有使用的材料厚度均满足上述电子射程的要求。传感器的微弱信号放大电路模块实现了束流信号转换放大和增益控制功能。如图3所示,进入法拉第筒的束流经过电缆在信号取样电阻R4上产生一个压降U3,由于进入法拉第筒的束流信号很小,电阻值不宜取小。如果电子束焊机在测试条件下很稳定,电子束的电流密度分布不随时间的变化而变化,那么信号取样时就可以假定束流取样电阻两端接入恒流源,即输出电压U3“极其稳定”,不随负载变化,如果R4∞,那么U3∞,所以理想恒流源都不允许输出开路,但对于实际电路,当电阻值大到一定程度,电压输出能力就会不够,所以R4取值又不宜很大。在测试过程中R4取1kΩ无感精密电阻。当信号从真空室内传输到真空外会受到电子束加工环境中较强的电磁场干扰,因此在法拉第筒内将信号放大可以显著地提高信噪比。可调电阻R1模块、R2、R3和运算放大器A1组成了增益可调的同相放大电路,在真空室外通过调节电压U1控制R1的阻值,同相放大电路的增益就会改变,使整个放大电路可以将宽范围(对应于5~100mA的束流范围)的微弱电压信号放大到伏级。由于图2针孔直径很小(25μm),远小于整个束流截面的直径(大约1mm),这样可以假定进入针孔的束流在针孔面积上密度分布是均匀的。如果确定了针孔的面积Sh,则可以计算出电子束束流密度Je=U2/AShR,其中,A为电路放大倍数。

3试验结果

针对ZD150-15A型电子束焊机的电子束束流进行测试,在电子束加速电压Ua=150kV,电子束电流Ib=10mA,聚焦电流If=360mA,偏转线圈Ⅱ下表面到法拉第筒传感器上表面的距离H=315mm条件下,采集到的数据波形如图6所示。其中图6(a)为束流单次扫描经过针孔采集的信号,图6(b)是多次连续扫描采集的信号(由于时间轴缩小,信号显示为线段),该数据可以描述整个截面的束流密度分布,从图6(b)中可以看出截面束流信号峰值并非从图中两边向中间线性增加,会出现峰值的下降。将截面数据进行二维分布显示得到图6(c),束流密度呈非对称性的近高斯分布,具有多个峰值。

4结论

(1)针对中高压电子束焊机5~100mA的电子束流,完成了法拉第筒传感器的研制,解决了电子束功率密度分布测量的难题,为电子束流诊断评价、工艺优化提供了新的方法和平台。(2)采用电子束流高速扫描针孔而收集束流的方式可以将一维测量数据在垂直于束流扫描的方向上扩展成二维的分布,对于束流的局部特性分析具有重要的意义。(3)法拉第筒电极入射孔采用双孔结构,有效的阻止了二次电子和背散射电子的逸出,提高了电子束流的收集效率,通过控制微弱信号放大电路的增益将整个束流诊断范围(5~100mA)内的信号放大到伏级。(4)在电子束加速电压Ua=150kV,电子束电流Ib=10mA,聚焦电流If=360mA,偏转线圈Ⅱ中心到法拉第筒传感器上表面的距离H=315mm条件下,采集功率密布分布数据由于受电子束焊机特性的影响,束流密度二维分布具有多个峰值,呈非对称性的近高斯分布。