齊鉑金 徐國寧 劉方軍 肖 攀

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京100191)

1 問題提出

電子束焊接是利用會聚的連續(xù)高速電子流轟擊焊件連接部位所產(chǎn)生的熱能使被焊金屬熔合的焊接方法.脈沖電子束焊接是相對于通常所說的連續(xù)束流電子束焊接而言的，即將焊接束流調(diào)制成脈沖形式進行焊接［1－2］.在保持同樣的功率情況下，脈沖電子束焊接比傳統(tǒng)的連續(xù)束流電子束焊接的穿透深度和深寬比要大30% ～50%［3］，能夠使中壓電子束焊透深度接近常規(guī)連續(xù)束流高壓電子束的焊透深度［4］.并且脈沖電子束焊接對薄壁件焊接能夠起到降低熱輸入和防止被焊工件過熱，減少焊接變形的效果.到目前為止，通過查詢國內(nèi)外相關(guān)文獻，脈沖電子束焊接相關(guān)研究報道還不多見.

脈沖電子束焊接電源由加速電源、陰極加熱電源和脈沖偏壓電源組成，如圖1所示，其中脈沖偏壓電源產(chǎn)生脈沖柵偏電壓，是實現(xiàn)脈沖束流的核心和關(guān)鍵.

圖1 脈沖電子束焊接電源總圖

脈沖偏壓電源的主要作用是控制和調(diào)節(jié)脈沖電子束流，它的原理是在陰極和柵極之間加脈沖柵極偏壓，通過調(diào)節(jié)脈沖柵極偏壓的參數(shù)調(diào)節(jié)脈沖電子束流的參數(shù).其中電子束流和柵偏電壓對應關(guān)系如圖 2 所示［3－5］.

圖2 束流與柵偏電壓關(guān)系示意圖

從圖2中可以看出，隨著柵偏電壓值增大，束流值減小，高的柵偏電壓值對應小的電子束流值，低的柵偏電壓值對應大的電子束流值.

根據(jù)束流與柵偏電壓關(guān)系示意圖，施加的脈沖偏壓如圖3a所示，對應產(chǎn)生的脈沖束流如圖3b所示.

圖3 脈沖束流與脈沖偏壓關(guān)系示意圖

脈沖偏壓由基值電壓Ub和峰值電壓Up組成.當脈沖偏壓在峰值電壓Up時，對應產(chǎn)生脈沖束流值為Ib，當脈沖偏壓在基值電壓Ub時，對應產(chǎn)生脈沖束流值為Ip.通過調(diào)整脈沖偏壓的基值電壓Ub的幅值調(diào)整脈沖束流Ip的幅值，通過調(diào)整脈沖偏壓的基值電壓Ub的幅值調(diào)整脈沖束流Ib的基值，通過調(diào)整脈沖偏壓的頻率和占空比調(diào)整脈沖束流的頻率和占空比.

從圖3中可看出如何產(chǎn)生和控制脈沖基值、脈沖峰值、脈沖頻率和占空比可調(diào)的脈沖偏壓是本文研究的重點，脈沖偏壓電源由獨立的偏壓基值和偏壓脈沖生成主電路和相應的控制電路組成，其中的脈沖控制是通過控制前級低壓電路來實現(xiàn)的，此模式相對后級高壓脈沖控制簡單可靠.

2 脈沖偏壓電源主電路設計

脈沖偏壓主電路拓撲如圖4所示，脈沖偏壓主電路由2個相互獨立的偏壓基值產(chǎn)生電路和偏壓脈沖產(chǎn)生電路串聯(lián)而成，偏壓基值與偏壓脈沖可獨立控制與調(diào)節(jié)，其中偏壓基值幅值可調(diào)，偏壓脈沖幅值、頻率和占空比分別獨立可調(diào).

偏壓基值產(chǎn)生電路將380 V工頻交流電進行三相全波整流濾波后，得到大約540 V左右的直流，整流濾波模塊包括整流橋B1、濾波電感L1和濾波電容C1;經(jīng)過由功率開關(guān)管Q1、功率二極管D1、濾波電感L2和濾波電容C3組成的斬波降壓模塊將得到的直流進行調(diào)節(jié);經(jīng)過由功率開關(guān)管Q3和Q4，電容C5和C6組成的半橋逆變模塊把直流逆變成交流方波，連接到高頻升壓變壓器T1原邊，其中半橋逆變模塊預設為最大脈寬模式工作，起隔離變換作用;高頻升壓變壓器T1將原邊的電壓升壓;最后經(jīng)過由整流橋B2和濾波電容C9組成的高壓整流濾波模塊將交流方波整流為直流.電阻R3和R4為脈沖基值電壓的取樣電阻，偏壓基值產(chǎn)生電路輸出電壓正極通過限流電阻R1串聯(lián)到高壓電源的負極.

偏壓脈沖產(chǎn)生電路經(jīng)過由功率開關(guān)管Q2、功率二極管D2、濾波電感L2和濾波電容C4組成的斬波降壓模塊將得到的直流進行調(diào)節(jié);經(jīng)過由功率開關(guān)管Q5和Q6，電容C7和C8組成的半橋逆變模塊把直流逆變成交流方波，連接到高頻升壓變壓器T2原邊;高頻升壓變壓器T2將原邊的電壓升壓;最后經(jīng)過由整流橋B3和濾波電容C10組成的高壓整流濾波模塊將交流方波整流為直流.偏壓脈沖產(chǎn)生電路輸出電壓正極通過限流電阻R2串聯(lián)到偏壓基值產(chǎn)生電路輸出電壓的負極，偏壓脈沖產(chǎn)生電路輸出電壓負極串聯(lián)到電子槍的柵極.電阻R5和R6為脈沖峰值電壓的取樣電阻.

圖4 脈沖偏壓電源主電路和控制電路結(jié)構(gòu)圖

當偏壓基值產(chǎn)生電路和偏壓脈沖產(chǎn)生電路均工作時，該偏壓電源能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖偏壓，即能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖電子束焊接.偏壓基值產(chǎn)生電路控制偏壓脈沖基值，偏壓脈沖產(chǎn)生電路控制偏壓脈沖峰值、偏壓脈沖頻率和偏壓脈沖占空比.

當偏壓基值產(chǎn)生電路工作，而偏壓脈沖產(chǎn)生電路不工作時，偏壓基值產(chǎn)生電路輸出負極信號經(jīng)過電阻R2流經(jīng)整流橋B3的二極管到達電子槍柵極，此時偏壓電源能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)直流偏壓，即能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)連續(xù)束流電子束焊接.

3 脈沖偏壓電源控制電路設計

本文利用TMS320LF2407A芯片進行實時數(shù)據(jù)采集和處理，采用WEINVIEW MT6100i觸摸屏作為人機交互界面和SG2525芯片用于生成脈沖寬度調(diào)制(PWM，Pulse Width Modulation)方波.TMS320LF2407A集成了16通道脈寬調(diào)制PWM、16通道10位A/D轉(zhuǎn)換器、串行接口SCI模塊和控制器局域網(wǎng)絡 CAN模塊等.豐富的資源與64 kB的外部尋址接口能很好地滿足控制系統(tǒng)的設計要求［6］.WEINVIEW觸摸屏支持MODBUS通信協(xié)議，本文通過編寫專門針對DSP的MODBUS協(xié)議實現(xiàn)觸摸屏與DSP相互通信.脈沖電流峰值、脈沖電流頻率和占空比等參數(shù)的設定與焊接過程的工作狀態(tài)顯示可以方便在觸摸屏上完成，提供了良好的人機交互界面，脈沖電子束焊接電源觸摸屏界面如圖5所示.

圖5 脈沖電子束焊焊接觸摸屏界面

本文的控制方式為:通過分別控制偏壓基值產(chǎn)生電路和偏壓脈沖產(chǎn)生電路的斬波降壓模塊調(diào)節(jié)偏壓脈沖基值和偏壓脈沖峰值;通過控制偏壓脈沖產(chǎn)生電路的半橋逆變模塊實現(xiàn)頻率和占空比可調(diào)的偏壓脈沖.

偏壓基值產(chǎn)生電路調(diào)節(jié)過程:偏壓基值產(chǎn)生電路主要通過調(diào)節(jié)斬波降壓模塊閉環(huán)控制完成.由偏壓基值給定值與對應偏壓基值輸出反饋值進行閉環(huán)比例積分控制器(PID，Proportional Integration Differential)運算處理后，輸出PWM方波信號;經(jīng)過驅(qū)動電路后，控制斬波降壓模塊的開關(guān)管，從而完成偏壓基值的調(diào)節(jié).對偏壓基值閉環(huán)調(diào)節(jié)采用電壓雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)，可以使得偏壓基值調(diào)節(jié)更加穩(wěn)定，如圖6所示.

圖6 脈沖峰值閉環(huán)控制原理圖

偏壓脈沖產(chǎn)生電路調(diào)節(jié)過程:根據(jù)本文主電路拓撲結(jié)構(gòu)，可以采用2種脈沖產(chǎn)生方式.第1種脈沖產(chǎn)生方式是通過控制斬波降壓模塊產(chǎn)生偏壓脈沖，即把斬波降壓模塊輸出Uo2調(diào)制成脈沖形式，半橋逆變模塊預設為最大脈寬模式工作，起隔離變換作用，從而實現(xiàn)最終偏壓脈沖輸出;調(diào)節(jié)過程為:由偏壓脈沖給定值Upg與斬波降壓模塊脈沖輸出反饋值Uo2進行閉環(huán)PID運算處理后，輸出PWM方波信號，經(jīng)過驅(qū)動電路后，控制斬波降壓模塊的開關(guān)管Q2，從而完成偏壓脈沖的調(diào)節(jié).其中偏壓脈沖給定值Upg是利用DSP事件管理模塊EVA和EVB現(xiàn)有的PWM信號產(chǎn)生方式生成PWM脈沖，從而實現(xiàn)最終脈沖偏壓，閉環(huán)控制原理如圖7所示.

圖7 第1種脈沖產(chǎn)生方式控制原理圖

由于斬波降壓模塊由儲能元件電感和電容組成，為保證輸出平穩(wěn)性，電感和電容值選取較大，使得第1種脈沖產(chǎn)生方式電路動態(tài)響應差，輸出波形不是嚴格的方波，下降沿變緩，如圖8所示.隨著脈沖頻率增高越來越明顯，當脈沖頻率超過200 Hz時波形畸變嚴重.

第2種脈沖產(chǎn)生方式是斬波降壓模塊直流輸出作為偏壓脈沖峰值，通過開通或關(guān)斷半橋逆變模塊實現(xiàn)最終偏壓脈沖輸出.

偏壓脈沖產(chǎn)生電路中斬波降壓模塊主要是調(diào)節(jié)偏壓脈沖峰值，為了精確控制偏壓脈沖峰值，控制采用電壓雙閉環(huán)控制策略，實現(xiàn)對偏壓脈沖峰值的閉環(huán)控制，閉環(huán)控制原理如圖9所示.

圖9 脈沖峰值閉環(huán)控制原理圖

實現(xiàn)對偏壓脈沖峰值的采集是偏壓脈沖峰值閉環(huán)控制中要解決的重要問題.本文采用AD公司的PKD01峰值保持器采集偏壓脈沖峰值，PKD01峰值保持器采用跨導型運算放大器，因而具有響應速度快、通頻帶寬、線性好、峰值保持精度高等優(yōu)點.對于具有瞬變峰值脈沖的信號，通過選擇適當?shù)耐饨颖３蛛娙?，PKD01即可快速、準確地檢測并保持峰值脈沖信號，直至發(fā)送RST復位信號進行清除為止.另外，DSP的10位A/D轉(zhuǎn)換時間最小為500 ns，足以對脈沖峰值實現(xiàn)多次定時采樣.

半橋逆變模塊脈沖發(fā)生器采用PWM發(fā)生器芯片SG2525，通過控制SG2525的外部關(guān)斷信號輸入端(第10腳)的開通關(guān)斷頻率實現(xiàn)半橋逆變模塊開通關(guān)斷頻率，最終實現(xiàn)偏壓脈沖輸出.當SG2525的外部關(guān)斷信號輸入端為高電平時，半橋逆變模塊的開關(guān)管Q5和開關(guān)管Q6全部關(guān)斷，此時偏壓脈沖產(chǎn)生電路輸出為零;當SG2525的外部關(guān)斷信號輸入端為低電平時，開關(guān)管Q5和開關(guān)管Q6交替開通，此時偏壓脈沖產(chǎn)生電路最終輸出為固定值;通過控制SG2525的外部關(guān)斷信號輸入端脈沖的頻率實現(xiàn)最終的偏壓脈沖輸出.工作過程如圖10所示，其中圖10a為外部關(guān)斷輸入控制信號，通過一個邏輯電路連接到SG2525的第10腳，當外部關(guān)斷輸入控制信號為高電平時，SG2525的第10腳為低電平;當外部關(guān)斷輸入控制信號為低電平時，SG2525的第10腳為高電平.

圖10 第2種脈沖產(chǎn)生方式控制原理圖

在第1個周期內(nèi)，［0～t1］，外部關(guān)斷輸入信號為高電平，半橋逆變模塊正常輸出，偏壓脈沖輸出為直流電壓;［t1～t2］，外部關(guān)斷輸入控制信號為低電平，半橋逆變模塊關(guān)斷輸出，偏壓脈沖輸出為零;在t2以后，重復上個周期的動作.從圖10a中可以看出，外部關(guān)斷輸入信號關(guān)斷的頻率和占空比控制偏壓脈沖的頻率和占空比.

SG2525外部關(guān)斷信號輸入端脈沖頻率和占空比是通過調(diào)節(jié)周期寄存器T1PER與其比較寄存器COMPR1的值完成的，其中在EVA選擇一路PWM輸出引腳，由相應的比較控制寄存器ACTRA設定為高有效，記為PWMn，與該路PWM輸出相關(guān)的另外一路PWM不能使用.根據(jù)所設定脈沖頻率fn確定事件管理模塊周期寄存器T1PER中所存的數(shù)值Tnum=fclk/fn，其中 fclk為周期寄存器工作的時鐘頻率，fn為逆變器工作頻率.

第2種脈沖產(chǎn)生方式偏壓脈沖輸出波形如圖11所示.

圖11 第2種偏壓脈沖輸出波形

圖11的具體參數(shù)為:脈沖頻率為1 kHz，占空比50%，脈沖基值80 V，脈沖峰值400 V.從圖中可看出，脈沖電子束焊接偏壓電源的輸出電壓穩(wěn)定，按照設定脈沖頻率和占空比變化.相比在斬波降壓模塊實現(xiàn)脈沖輸出波形畸變小、控制精度高并能夠?qū)崿F(xiàn)更高的脈沖頻率.

4 試驗

采用脈沖電子束焊接電源對3 mm厚度Ti-6Al-4V鈦合金板進行電子束焊接試驗，具體焊接參數(shù)如表1所示.

表1 試驗用焊接工藝參數(shù)

試件1連續(xù)束流電子束焊接，其它試件為脈沖電子束焊接，焊接均是在保持相同焊透條件下進行.在脈沖電子束焊接過程中，電子束流是間歇性打在工件上，在脈沖束流的沖擊作用下，熔池不斷熔化與冷卻凝固，隨著工件的移動，電子束流在試件上前移，熔池下凹，熔化金屬被排斥在電子束前進的后方，冷卻凝固后形成一系列弧形紋理.從圖12焊縫形貌來看，焊縫上表面寬度一致，弧紋均勻，隨著脈沖頻率的增加，弧紋間距逐漸減小，脈沖頻率160 Hz以后已經(jīng)看不出弧紋間距.從表1可以看出，脈沖電子束焊接的平均束流為8 mA，小于連續(xù)束流焊接的束流12 mA.在同樣加速電壓下脈沖電子束焊接在減少熱輸入的情況下與連續(xù)束流電子束焊接保持同樣的焊透性，說明在相同平均輸入功率下，相比連續(xù)束流電子束焊接，脈沖電子束焊接的沖擊作用使得電子束焊接的穿透性更加顯著，并且焊縫寬度有減小的趨勢.

圖12 電子束焊縫形貌

5 結(jié)論

本文開發(fā)的脈沖電子束焊接偏壓電源，能夠根據(jù)設置的偏壓脈沖頻率、偏壓基值和偏壓脈沖峰值得到對應的脈沖束流，經(jīng)測試脈沖偏壓電源具有輸出波形穩(wěn)定、動態(tài)響應快、控制精度高和可靠性好等優(yōu)點.

該電源主電路拓撲能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)連續(xù)束流焊接和脈沖束流焊接自由切換，即根據(jù)實際需要既能實現(xiàn)連續(xù)束流焊接，又能實現(xiàn)脈沖電子束焊接.

利用開發(fā)的脈沖電子束偏壓電源組成的脈沖電子束焊接電源對Ti-6Al-4V鈦合金板進行脈沖電子束焊接，并和連續(xù)束流電子束焊接對比.試驗證明在相同平均功率下，脈沖電子束焊接比連續(xù)束流電子束焊接的穿透性更加顯著，并且焊縫寬度有減小的趨勢.

References)

［1］中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007:657 China Mechanical Engineering Society Welding Branch.Welding handbook［M］.Beijing:Engineering Industry Press，2007:657(in Chinese)

［2］張洪波，劉方軍，左從進.一種新型脈沖電子束焊接用PWM逆變式柵偏壓電源系統(tǒng)設計［J］.航空制造技術(shù)，2004(增刊):188－191 Zhang Hongbo，Liu Fangjun，Zuo Congjin.Design of a pulsed gridbias supply with PWM in verter for pulsed electron beam welding［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2004(Supplement):188－191(in Chinese)

［3］Schultz H.Electron beam welding［M］.Abington:Abington Publishing，1994:38

［4］丘成茂.電子束焊接獲得深焊效應的機理和方法［J］.電工電能新技術(shù)，1994:1－10 Qiu Chengmao.The deep penetration welding principle and method of electron beam welding［J］.Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy，1994:1 －10(in Chinese)

［5］American Welding Society.Recommended practices for electron beam welding［M］.Miami:Global Engineering Documents，1999

［6］劉和平，王維俊，江渝，等.TMS320LF240x DSP C語言開發(fā)應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2003:1－10 Liu Heping，Wang Weijun，Jiang Yu，et al.TMS320LF240x DSP C language exploitation and application［M］.Beijing:Beijing U-niversity of Aeronautics and Astronautics Press，2003:1 －10(in Chinese)