電子束焊機用高壓電源的應用及發(fā)展趨勢

1概述

電子束焊機的工作原理是陰極加熱發(fā)射的電子經高壓電場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，巨大的動能轉變?yōu)闊崮苁构ぜ刍?，從而實現(xiàn)對工件的焊接[1]。它涉及到高電壓技術、電子光學、真空技術、精密機械制造、自動化技術、電子計算機技術等，是一高科技工業(yè)產品。在上世紀中葉，由于一些特殊材料的焊接需要，人們開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，在西方國家獲得了廣泛的應用和發(fā)展。上世紀60年代以來，我國因國防工業(yè)、航空航天、原子能工業(yè)等高科技產業(yè)對一些特殊焊接工藝的需要，開始從西方國家引進電子束焊接設備，特別是自改革開放以來，電子束焊機引進的數(shù)量愈來愈多，其應用范圍也擴展到其它工業(yè)領域。與此同時國內的有關科研單位和制造廠家也開始聯(lián)合研制電子束焊機，以滿足國民經濟發(fā)展的需要。1978年桂林電器科學研究所研制出我國第一臺電子束焊機，實現(xiàn)了我國電子束焊機制造和研究零的突破，并具體應用到火箭發(fā)動機零件的焊接。到目前為止，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國有關部門應用電子束焊機已達100多臺，其中引進焊機約占一半左右。國產電子束焊機經過二十多年的發(fā)展，在技術及可靠性方面雖已有了極大的提高，但與西方發(fā)達國家的電子束應用技術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方面尤其如此（目前我國還不能生產150kV高壓型電子束焊機）。由于高壓電源在電子束焊機中舉足輕重，為此國外的電子束焊接設備制造公司專門成立研究開發(fā)機構，以滿足電子束技術發(fā)展的需要。鑒于此我國更需加強高壓電源本體制造技術和控制技術方面的研究[2]。本文重點介紹目前國內外電子束焊機用高壓電源的應用實例。根據(jù)高壓電源的特點及其在使用過程中出現(xiàn)的新問題，分析高壓電源的發(fā)展方向。其目的是使我國一些應用部門較全面了解高壓電源的發(fā)展趨勢，推動高壓電源研究的深入開展，從整體上提高我國電子束焊機的制造水平。

2電子束焊機用高壓電源的技術要求及分類

2.1電子束焊機用高壓電源的技術要求

電子束焊機用高壓電源與其它類型的高壓電源相比，具有不同的技術特性。由于電子束焊機用高壓電源國內外還沒有一個統(tǒng)一的標準，本文只能根據(jù)國外電子束焊機制造商的出廠標準、德國DIN標準和我國電子束焊機的技術標準，歸納如下：

圖1Techmeta公司焊機用高壓電源的系統(tǒng)框圖

（1）對電源紋波和穩(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制造商都提出這樣的要求。其中德國PTR公司還要求中壓型的相對紋波系數(shù)小于0.5％，穩(wěn)定度為±0.5％，同時還提出了重復性要求小于0.5％。以上要求均根據(jù)電子束和焊接工藝決定。

（2）保護性能要求

電子束焊機用高壓電源在操作時必須與有關系統(tǒng)進行連鎖保護，主要有真空連鎖、陰極連鎖、閘閥連鎖、聚焦連鎖等，以確保設備和人身安全。高壓電源必須符合EMC標準，具有軟起動功能，防止突然合閘對電源的沖擊。

（3）其它要求

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

2.2電子束焊機用高壓電源的分類

電子束焊機用高壓電源按控制方式、調節(jié)方式、絕緣介質使用、電壓等級及功率、供電方式等進行分類，具體如下：

（1）按電壓等級可分為高壓型和中壓型，前者額

定工作電壓為100kV及以上，常見有100kV、120kV、150kV、170kV等；后者為70kV及以下，最常見的為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，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隔板的焊接等。

（3）按絕緣介質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；后者正處在研究之中，適用于便攜式焊機。

（4）按供電形式可分為工頻、中頻、高頻，工頻由公

用網供電，中頻一般用中頻機組供電，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壓型、晶閘

管調壓型、脈寬調制（PWM）逆變型、中頻機組調壓型、高壓真空管直接調整型。

（6）按調節(jié)方式可分為直接調整式和間接調整式，

前者指的是調節(jié)和穩(wěn)定直接在高壓側進行；后者指的是調節(jié)和穩(wěn)定在低壓側進行，一般通過調節(jié)升壓變壓器的原邊電壓來實現(xiàn)。

3電子束焊機用高壓電源的應用實例

電子束焊機用高壓電源的主電路原理基本相同，通常經過高壓變壓器升壓，再通過十二相整流（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，所不同的是調節(jié)控制電路的形式。國外有代表性的制造公司有法國的Sciaky公司、Techmeta公司，英國的CVE公司、Wantgate公司，德國的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際電子束焊機制造的水平，現(xiàn)就一些典型的高壓電源應用實例進行介紹。

3.1Techmeta公司電子束焊機用高壓電源[3]

Techmeta公司電子束焊機用高壓電源的控制原理框圖如圖1所示。控制和調節(jié)反饋信號由高壓電阻分壓器的低壓臂獲得，PI調節(jié)器在給定信號和反饋信號的作用下輸出一直流信號給電壓頻率轉換電路，轉換成一定頻率的脈沖，此脈沖送入驅動電源驅動步進電機，步進電機帶動調壓器手柄來調節(jié)其輸出電壓，從而實現(xiàn)對高壓輸出的穩(wěn)定和調節(jié)。輸出電壓的變化反映到調壓器的手柄調壓位置，依靠一套高精度的伺服系統(tǒng)來完成。由于主電路中的調壓元件為接觸調壓器，穩(wěn)定性和可靠性高，沒有諧波對電網的干擾，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)的響應時間，不易實現(xiàn)快速調節(jié)和對高壓打火的快速保護，在大功率時接觸調壓器易發(fā)熱影響電源的長期工作，高精度的伺服系統(tǒng)調試和維修相對困難。

3.2PTR公司的電子束焊機用高壓電源[4]

PTR公司的電子束焊機用高壓電源的控制原理框圖如圖2所示。PI調節(jié)器在給定信號和從高壓分壓器取得的反饋信號作用下，輸出一直流電壓信號控制晶閘管的導通角，從而實現(xiàn)高壓的穩(wěn)定和調節(jié)。德國igm公司、英國CVE、Wantgate公司、國產HDZ系列電子束焊機均采用這種形式的高壓電源，適用于各種功率及電壓等級，應用范圍廣，工作比較可靠。但移相控制電路相對復雜，對電網有諧波污染，要求高壓濾波電容量較大，電源的體積相對較大，效率較低。由于濾波電容量較大，控制系統(tǒng)的響應時間較長，不易實現(xiàn)高壓打火的快速保護。

圖2PTR公司焊機用高壓電源的系統(tǒng)框圖

3.3烏克蘭Paton焊接研究所的電子束焊機用

高壓電源[5]

烏克蘭Paton焊接研究所的電子束焊機用高壓電源的控制原理框圖如圖3所示。它的典型特點是高壓的穩(wěn)定和調節(jié)直接在高壓側，具有自動再加高壓系統(tǒng)，即在高壓打火時通過高壓真空管快速切斷和恢復高壓而不停機，不影響設備的正常焊接。PI調節(jié)器在給定信號和從高壓分壓器獲得的反饋信號作用下，輸出一直流電壓信號到功率放大電路，經放大的調節(jié)信號輸出到真空管的第二陽極以調節(jié)真空管的導通程度，輸出直流高壓便得到穩(wěn)定和調節(jié)。這種電源的優(yōu)點是在高壓打火時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。另外在產生過電壓時，高壓反饋信號反饋到自動再加高壓系統(tǒng)上快速切斷高壓，一旦過壓消失，系統(tǒng)快速恢復高壓，整個作用時間在ms級內。這種高壓電源還具有調制功能，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節(jié)高壓，其附加電源多，電路結構復雜，體積加大（兩臺油箱），電子管在工作時散發(fā)大量的熱量，需加散熱裝置，電源效率相對較低，不適宜用于電網電壓波動較大的地區(qū)，另外電子管還存在著壽命問題。

3.4國產HDZ系列電子束焊機用高壓電源[6]

國產HDZ系列電子束焊機用高壓電源的控制原理框圖如圖4所示，是桂林電器科學研究所于上世紀90年代推出的一種電子束焊機用的高可靠性高壓電源。它采用電動中頻發(fā)電機組供電，依靠調節(jié)發(fā)電機的勵磁電流實現(xiàn)高壓的穩(wěn)定和調節(jié)。PI調節(jié)器在給定信號和反饋信號的作用下輸出到控制功率放大電路，以調節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，實現(xiàn)高壓的穩(wěn)定和調節(jié)。給定信號實現(xiàn)了數(shù)字化控制，可編程邏輯控制器（PLC）的程序通過D/A特殊模塊轉變?yōu)槟M量給PI調節(jié)器，能較容易實現(xiàn)高壓的軟起動和軟關機。由于中頻機組與電網隔離，故電網電壓的波動對電源影響較小。采用中頻供電，電源的紋波小，濾波電容量小，能相對減小電源本體的體積。不足之處是發(fā)電機的噪聲較大，中頻機組也增大了整個電源的占地面積。控制系統(tǒng)響應時間相對較長，較適宜于30kW及以下的應用場合。

4電子束焊機用高壓電源的發(fā)展方向

綜上所述可知電子束焊機用高壓電源主要存在兩個問題：體積大和效率低。為此在高壓電源的研究方面主要應從電源本體和控制技術等幾個方面進行。

4.1絕緣介質合理應用和結構的優(yōu)化設計

研究表明：采用高強度的絕緣介質能有效地減小電源的體積和重量，特別是SF6高強度絕緣氣體在電氣設備中的成功應用，為電子束焊機用高壓電源采用高強度絕緣氣體開辟了廣闊的前景。西方國家已推出用SF6氣體作為絕緣介質的電子束焊機用高壓電源如圖5所示[7]。這種焊機的高壓電源和電子槍做成一體化，主要應用于小功率。在高壓及大功率方面需對以下課題進行研究：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、SF6氣體絕緣結構的優(yōu)化設計、氣體絕緣型高壓電阻分壓器的研制及對地雜散電容對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絕緣，如合成絕緣材料或樹脂絕緣材料，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構合理的模具的制造、合理的工藝配方的研究、絕緣結構的優(yōu)化設計、熱性能和電性能良好的絕緣材料等。

圖3烏克蘭Paton焊機用高壓電源的系統(tǒng)框圖

圖4國產HDZ型焊機用高壓電源的系統(tǒng)框圖

圖5電子束焊機用SF6高壓電源示意圖

圖6開關型高壓電源的系統(tǒng)框圖

4.2控制技術的研究

隨著電子技術、自動控制技術、功率電子器件技術的快速發(fā)展，人們開始研究采用開關電源技術來控制和調節(jié)高壓，這種電源的工作原理框圖如圖6所示。德國PTR公司和igm公司已開展這方面的研究，并制造出小功率的樣機。開關型高壓電源能保證電子槍在打火時，以極快的速度關斷電源，并在很快的時間內恢復高壓，保證焊接過程的順利進行，具有理想的高壓放電保護性能。開關型高壓電源由于供電頻率的提高，在以下幾個方面要進行研究：高壓打火時對低壓電路的影響及保護技術的研究、高頻高壓變壓器的制造技術、濾波電容器的高頻性能的研究、克服對地雜散電容對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（過電壓）較差，采取合適的保護措施，提高電力電子器件的安全和穩(wěn)定性，以及如何應用于高壓和大容量的電子束焊機是今后要進一步研究的課題。

4.3測量及取樣信號的研究

目前高壓測量及電子束流的測量和取樣均從高壓分壓器取得，沒有進行有效的隔離，有時導致干擾信號，使控制電路誤動作，為此需增加抗干擾電路。在高壓電路中采用光電耦合技術能有效地解決干擾問題[8]，使控制電路不受高壓打火的影響，沒有高壓干擾信號的影響，測量結果準確可靠。

5結語

（1）電子束焊機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）開關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）進一步研究和開發(fā)高電壓及大功率電子束焊機用高壓開關電源，是電子束焊機發(fā)展的需要；

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