朱國(guó)坤，張向東，張建飛，莫力林

（桂林獅達(dá)技術(shù)股份有限公司，廣西 桂林541004）

0 前言

隨著我國(guó)制造業(yè)水平的逐步提高，真空電子束加工工藝的使用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛[1-2]。采用真空電子束加工的材料種類繁多，不僅包括傳統(tǒng)的如鎢、鉬、鉭、鈮等高溫合金及鐵基合金材料，甚至包括陶瓷，聚合環(huán)氧樹脂、玻璃等非導(dǎo)電材料[3-4]。許多材料在采用真空電子束焊接時(shí)會(huì)揮發(fā)出大量的包含各種成分的粉塵和蒸汽[5-6]。這些粉塵和蒸汽會(huì)通過(guò)電子束通道進(jìn)入電子束發(fā)生器污染電子束發(fā)射面，降低陰極使用壽命，降低絕緣強(qiáng)度，使電子槍在焊接過(guò)程中頻繁打火放電甚至中斷焊接[7-8]。為此需要在電子槍內(nèi)部增加一個(gè)既能夠有效防止粉塵和蒸汽通過(guò)又能夠讓電子束順利通過(guò)且不對(duì)電子束形狀產(chǎn)生影響的真空壓差隔離導(dǎo)管[9-10]。

廣泛地閱讀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)并未查到對(duì)層流電子槍壓差隔離導(dǎo)管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容，雖然電子束焊機(jī)使用者對(duì)金屬蒸汽通過(guò)隔離閥進(jìn)入槍室影響電子束發(fā)射部位壽命沒(méi)有強(qiáng)烈的意識(shí)，但粉末熔化成形中的“斥粉”引起的頻繁放電或中斷下束來(lái)說(shuō)對(duì)隔離導(dǎo)管的存在是非常必要的。因此，本文首先通過(guò)理論計(jì)算設(shè)計(jì)出壓差隔離導(dǎo)管，再比較了不同加速電壓下的出束情況，從而驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)的可靠性。最終本文對(duì)層流電子槍真空壓差隔離管的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和設(shè)計(jì)方法。

1 隔離導(dǎo)管的設(shè)計(jì)

1.1 隔離導(dǎo)管設(shè)計(jì)根源

鎢材料陰極通過(guò)電流的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，由于鎢陰極處于真空環(huán)境中，其溫度很容易達(dá)到2 700 K以上。隨著陰極溫度的升高陰極材料內(nèi)部電子云或原子外圍電子自由能也會(huì)升高，當(dāng)那些電子的自由能高于材料表面勢(shì)壘時(shí)會(huì)逸出材料表面進(jìn)入靜電區(qū)。層流電子槍靜電區(qū)在陰極曲面和陽(yáng)極之間，是帶有負(fù)電位的陰極曲面和零電位的靜電場(chǎng)，它有匯聚電子束的作用，又稱靜電透鏡。層流電子槍工作原理如圖1所示。在使用中陰極曲面帶有負(fù)高電壓，一般-30 kV以上，陽(yáng)極接地其電壓為零。陰極和柵極（帶陰極曲面的零件）之間也有一個(gè)電壓差稱之為偏壓，一般柵極電勢(shì)高于陰極，約2 kV。因此電子在靜電透鏡內(nèi)的加速情況取決于陰極曲面和陽(yáng)極之間的電壓差，陽(yáng)極電勢(shì)為量因此陰極曲面上的電勢(shì)稱為加速電壓，一般用電勢(shì)絕對(duì)值來(lái)表述。

圖1 層流電子槍靜電聚焦示意圖

逸出電子在靜電透鏡的作用下匯聚，并加速后以接近光的速度穿過(guò)陽(yáng)極孔，由于慣性的作用下一般在陽(yáng)極孔下方匯聚，形成束腰本文稱靜電聚焦點(diǎn)。其聚焦點(diǎn)的位置主要取決于加速電壓、RC和RC的圓心位置。因此靜電聚焦點(diǎn)的直徑大小和位置不僅影響接下來(lái)的磁聚焦束斑直徑大小還會(huì)影響即將設(shè)計(jì)的壓差導(dǎo)管的內(nèi)徑和長(zhǎng)度。本次設(shè)計(jì)真空壓差隔離導(dǎo)管位于陽(yáng)極孔下方，安裝位置根據(jù)不同加速電壓下zmin值，其目的在于阻擋工作室反沖物，提高槍室真空度得到無(wú)放電、長(zhǎng)壽命的陰極。根據(jù)參考資料提供的數(shù)據(jù)，層流電子槍的加速電壓在30～150 kV之間，電子通過(guò)靜電透鏡加速后速度和質(zhì)量如表1所示[11]。

表1 電子運(yùn)動(dòng)速度和質(zhì)量關(guān)系

工程中的電子槍設(shè)計(jì)盡量滿足旁軸條件，被加速的電子通過(guò)陽(yáng)極后面的靜電透鏡的焦點(diǎn)后，在慣性的作用下繼續(xù)向前飛行進(jìn)入漂移區(qū)。因此靜電聚焦點(diǎn)固然出現(xiàn)在漂移區(qū)。因?yàn)榧铀匐妷?50 kV下電子速度小于30%光速，故可忽略電子相對(duì)質(zhì)量效應(yīng)。此時(shí)將電子束傳輸模型可以看作：（1）電子束在漂移區(qū)內(nèi)層流運(yùn)動(dòng)；（2）電子束在靜電聚焦漂移區(qū)內(nèi)僅受內(nèi)部的電子庫(kù)侖力；（3）靜電透鏡陽(yáng)極孔效應(yīng)僅局限于陽(yáng)極孔大?。唬?）電子束的靜電聚焦前的收斂角是恒定的，本文電子槍收斂角a為20°。根據(jù)電子束光學(xué)原理，電子束在靜電透鏡內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡表達(dá)式如式（1）所示[12]。

式中，r為電子束半徑，mm；z為半徑r處的距離，mm；ε0為真空介質(zhì)常數(shù)，本文取 ε0=8.854×10-12F/m；η為荷質(zhì)比，本文取1.759×1011C/kg；U為加速電壓，V。若忽略電子束的熱初速，并歸一化參數(shù)（無(wú)量綱參數(shù)）將公式對(duì)稱柱坐標(biāo)表達(dá)為式（2）。

式中，R為歸一化半徑；z1為歸一化距離；r0為陰極當(dāng)量半徑，本文陰極發(fā)射面為1 mm的正方形面其當(dāng)量半徑約為0.56 mm。l為陰陽(yáng)極距離，本文l為陰極半徑Rc相等。

1.2 設(shè)計(jì)結(jié)果與討論

從上述設(shè)計(jì)內(nèi)容可看出壓差隔離導(dǎo)管的設(shè)計(jì)主要以靜電聚焦距離和聚焦處的電子束半徑有關(guān)，還可知這兩個(gè)參數(shù)隨著束流電流和加速電壓的改變而改變。因此該壓差導(dǎo)管設(shè)計(jì)以式2理論模型為依據(jù)，為了其眾多參數(shù)的關(guān)聯(lián)研究，陰極曲面的回轉(zhuǎn)中心定于陽(yáng)極上端面中心。從THDW牌電子槍模塊化研究得出了R、z1方程的值隨著ra、Rc的變化呈線性變化的關(guān)系。因此設(shè)計(jì)隔離導(dǎo)管時(shí)使用的最小電子束直徑rmin和陰極到rmin所出現(xiàn)位置之間距離zmin可以表述成式（3）。

式中，ra為陽(yáng)極孔半徑，mm；Rc為陰極曲率半徑，mm。從式中看出電子束束流與rmin和zmin之間是線性關(guān)系，而加速電壓與兩者之間呈非線性關(guān)系。設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇M176電子槍最大束流50 mA（因小電子束束流對(duì)該兩個(gè)值得影響非常小可忽略不計(jì)）以作電子束束流影響下的極大值，而加速電壓的選擇考慮到焦點(diǎn)前后的散射可能傷及壓差隔離導(dǎo)管故選擇了該電子槍最小加速電壓30 kV、常用加速電壓60 kV和最大加速電壓150 kV下的ra與Rc值。

此時(shí)根據(jù)本公司不同加速電壓下Rc的經(jīng)驗(yàn)值及該條件下的rmin和zmin值如表2、3所示。

表2 不同加速電壓下的ra與Rc值

表3 不同加速電壓下的rmin與zmin計(jì)算值

根據(jù)真空高壓絕緣相關(guān)資料提供的數(shù)據(jù)，真空度達(dá)到1.33×10-2Pa時(shí)，進(jìn)一步提高真空度不會(huì)使真空高壓絕緣強(qiáng)度進(jìn)一步提高。電子槍靜電透鏡的陰極和陽(yáng)極在設(shè)計(jì)時(shí)，保證陰極任意點(diǎn)到陽(yáng)極的最小距離的誤差小于0.5 mm，保證陰極和陽(yáng)極形成靜電透鏡的表面最小曲率半徑大于2 mm。電子槍加速電壓在60 kV時(shí)。電子槍靜電透鏡用于高壓絕緣的真空度達(dá)到5×10-2Pa即可保證電子槍在焊接時(shí)不會(huì)高壓放電，達(dá)到高壓絕緣的目的。因此，設(shè)計(jì)真空隔離導(dǎo)管時(shí)，其高真空端的最低工作真空度為5×10-2Pa。

空氣的平均相對(duì)分子質(zhì)量約為29?？諝庵懈鞣N主要?dú)怏w成分的相對(duì)分子質(zhì)量：氧氣為32、氫氣為2、氮?dú)鉃?8。工程中使用的旋片式機(jī)械泵、羅茨泵、擴(kuò)散泵等體積壓縮類真空泵在抽取氣體時(shí)都是優(yōu)先抽取質(zhì)量大的氣體成分。利用以上類型的真空泵獲得的真空環(huán)境中，質(zhì)量輕的氣體成分含量相對(duì)于空氣要高，質(zhì)量重的氣體成分相對(duì)空氣變低。因此在這樣的真空環(huán)境中，氧氣的含量比例相對(duì)較低。當(dāng)真空度達(dá)到5 Pa時(shí)，其中氧氣的含量小于氣體保護(hù)焊接時(shí)采用的50 PPm氮?dú)鈿怏w保護(hù)的含量。因此，在焊接除鈦合金，銅合金等材料外，近5 Pa的低真空工作也起到良好的保護(hù)作用。對(duì)于20℃的空氣其分子平均自由程λ隨著壓強(qiáng)變化而變化的。在不同焊接需求下焊接室內(nèi)的真空需要調(diào)節(jié)，當(dāng)打開槍隔閥時(shí)，焊接室內(nèi)的空氣及微顆粒往往影響電子槍室真空甚至污染槍室環(huán)境。一般條件下電子束工藝真空等級(jí)為5Pa（λ =1.33 mm）、5 × 10-2Pa（λ =133 mm）和 5× 10-3Pa（λ =1 330 mm）。

為了降低真空壓差隔離導(dǎo)管的流導(dǎo)，提高電子槍工作真空度，隔離導(dǎo)管的直徑需要滿足氣體壓力在5 Pa時(shí)，導(dǎo)管高氣壓端向低氣壓端的氣體流動(dòng)形成分子流的條件是導(dǎo)管直徑d小于3λ，通過(guò)計(jì)算導(dǎo)管直徑應(yīng)小于3.99 mm。導(dǎo)管直徑需要大于加速電壓在60 kV時(shí)的靜電束斑直徑為1.5 mm（2倍rmin）；同時(shí)小于氣體壓力在5 Pa時(shí)形成分子流的最小直徑3.99 mm。并根據(jù)陽(yáng)極到靜電聚焦點(diǎn)的距離H值在導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中取隔離導(dǎo)管直徑、長(zhǎng)度和安裝位置。結(jié)果得出，THDW牌M176層流電子槍（后續(xù)試驗(yàn)使用的電子搶）隔離導(dǎo)管孔直徑Ф為3.6 mm，長(zhǎng)度L為10 mm，折中后D為41.5 mm；設(shè)計(jì)好的導(dǎo)管裝入電子槍后的示意圖如圖2所示。此時(shí)在20℃的空溫下的通過(guò)式（4）求出了隔離導(dǎo)管的氣流量Qg。

式中d為導(dǎo)管直徑，cm；Pi和P0分別為導(dǎo)管兩端氣體壓力，Pa；L為隔離套管長(zhǎng)度，cm；A為克勞幸常數(shù)（與套管長(zhǎng)徑比L/d相關(guān)，本文取A=0.62。通過(guò)上式計(jì)算焊接室真空度為5 Pa，槍室真空度為5×10-2Pa時(shí)的，隔離導(dǎo)管的氣體流量為1.73 Pa·L/S。

圖2 隔離導(dǎo)管安裝示意圖

實(shí)際工程中，電子槍與焊接工作室有兩套真空系統(tǒng)來(lái)獨(dú)立真空的，兩者分別達(dá)到下束條件時(shí)才開啟隔離閥進(jìn)行下束。電子槍配備的真空系統(tǒng)抽速為100 L/S；在沒(méi)有開啟隔離閥時(shí)，壓差隔離導(dǎo)管的氣流量與電子槍真空室的氣流量是相等，使用前電子槍真空度一般維持在5×10-2Pa以上，否則不宜下束工作。當(dāng)打開隔離閥時(shí)，焊接室的氣壓影響槍室的氣壓并在一段時(shí)間后達(dá)到新的平衡。對(duì)于達(dá)到平衡的槍室出口總氣體流量可以用式（5）計(jì)算。

式中，Qf為槍室氣體流量，Pa·L/S；Qg為隔離導(dǎo)管的氣流量，Pa·L/S；Pi為當(dāng)前真空度，Pa；Sp為泵的抽速，L/S。當(dāng)電子槍真空度Qf（除隔離導(dǎo)管）為0.5 Pa·L/S，焊接室真空度也為5Pa時(shí)打開隔離閥后的∑Q的最大值為2.23 Pa·L/S。此時(shí)將∑Q除以泵的抽速Sp得到當(dāng)前真空度Pi為2.2×10-2Pa，優(yōu)于5.0×10-2Pa，也滿足了隔離槍室陰極工作的要求。

2 設(shè)計(jì)結(jié)果的驗(yàn)證

2.1 驗(yàn)證設(shè)備

為了驗(yàn)證層流電子槍陽(yáng)極下端的上述設(shè)計(jì)理念得到內(nèi)徑3.6 mm、長(zhǎng)10 mm的隔離導(dǎo)管的使用可靠性，本文以獅達(dá)公司自制THDW牌電子束熔粉快速成形機(jī)為試驗(yàn)設(shè)備，其電子槍型號(hào)為M176，相關(guān)參數(shù)如表4所示。為了避免金屬材料帶磁而影響電子束的運(yùn)動(dòng)軌跡，壓差隔離導(dǎo)管設(shè)計(jì)選材為不銹鋼304（06Cr19Ni10）。

表4 M176電子槍參數(shù)

本次驗(yàn)證試驗(yàn)將制作好壓差隔離導(dǎo)管安裝于圖1所示的位置，并進(jìn)行了兩種試驗(yàn)。試驗(yàn)的一種是工作室低真空工作時(shí)貫通兩室之后的真空差異，真空測(cè)量位置如圖3a所示；另一種是選取極限加速電壓和長(zhǎng)期工作加速電壓下電子束是否損傷隔離導(dǎo)管的試驗(yàn)。

2.2 驗(yàn)證結(jié)果

試驗(yàn)1將隔離閥門打開接通槍室與工作室，再分別進(jìn)行槍室與工作室進(jìn)行真空，當(dāng)焊接室真空度達(dá)到5 Pa時(shí)記錄槍室電離規(guī)真空度測(cè)值，如圖3b所示。試驗(yàn)2在試驗(yàn)1的條件下額定束流50 mA下調(diào)節(jié)加速電壓進(jìn)行下束試驗(yàn)，觀察隔離導(dǎo)管的完整性。試驗(yàn)1結(jié)果發(fā)現(xiàn)裝入隔離導(dǎo)管后當(dāng)工作室真空度為5 Pa時(shí)槍室真空度為2.1×10-2Pa，與假設(shè)計(jì)算值基本吻合，其相對(duì)誤差為4.5%。試驗(yàn)2結(jié)果發(fā)現(xiàn)M176層流電子槍額定束流50 mA下，最小加速電壓30 kV、長(zhǎng)期工作加速電壓60 kV和最大加速電壓150 kV連續(xù)下束條件下隔離導(dǎo)管沒(méi)有熔化損傷痕跡。綜合比較發(fā)現(xiàn)安裝隔離導(dǎo)管時(shí)的真空度比沒(méi)有隔離導(dǎo)管槍室的真空高出10倍，幾乎完全隔開了槍體和焊接室的真空環(huán)境，并且與陽(yáng)極孔一起起到了雙重保護(hù)作用。通過(guò)長(zhǎng)期下束陰極試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大幅度降低了熔粉工作時(shí)的“斥粉”引起的放電現(xiàn)象，1.0×0.1（寬×厚）規(guī)格陰極壽命由13個(gè)小時(shí)提高到了60個(gè)小時(shí)，陰極壽命延長(zhǎng)了原來(lái)的3.6倍。

圖3 隔離導(dǎo)管試驗(yàn)結(jié)果圖

3 結(jié)論

（1）通過(guò)理論計(jì)算得到的rmin與zmin值來(lái)設(shè)計(jì)壓差隔離導(dǎo)管是可行的。實(shí)際使用中rmin與zmin值很難測(cè)得的，設(shè)計(jì)人員必要時(shí)可以直接使用上式計(jì)算出其值。

（2）通過(guò)理論值試驗(yàn)值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，壓差隔離導(dǎo)管理論設(shè)計(jì)吻合度達(dá)95.5%，證實(shí)理論計(jì)算在工程中優(yōu)化貢獻(xiàn)，為層流電子槍工程設(shè)計(jì)提供了可靠地依據(jù)。

（3）使用通過(guò)理論設(shè)計(jì)出的隔離導(dǎo)管的設(shè)備與沒(méi)有使用隔離導(dǎo)管設(shè)備相比，使用隔離導(dǎo)管的槍室真空度高出10倍，幾乎完全隔開了槍體和工作室的真空。

（4）通過(guò)長(zhǎng)期下束陰極試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)使用隔離管可大幅度降低了熔粉工作時(shí)的放電現(xiàn)象，其1.0×0.1（寬×厚）規(guī)格陰極壽命延長(zhǎng)了原來(lái)的3.6倍。