專利名稱：三極式焊接電子槍束流光控器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于電子束焊接設(shè)備中用于控制電子束電流的一種控制器。
在電子束焊接設(shè)備(如圖1所示)中，電子槍EGW的作用是發(fā)射電子、使其加速并聚焦成為高能量密度的電子束電流iB。該電子束流iB離開電子槍EGW進入焊接工作室VB后轟擊被焊工件W，可使其接縫處的金屬熔化而實現(xiàn)焊接結(jié)合。圖1中的電子槍EGW就是三極式焊接電子槍的結(jié)構(gòu)示意圖，其陰極C、陽極A和柵極G等三個電極組成了電子槍的電子發(fā)射部分，電磁線圈M則使電子流在電磁力的作用下會聚并在工件W上形成焦點。圖1中右邊部分為高壓電源HS，它通過三芯高壓電纜HC向電子槍各電極提供正常工作所必須的電壓。其中，EC為陰極加熱電源，它向電子槍直熱式陰極C(一般為鎢絲或鎢帶)提供加熱電流使其產(chǎn)生熱電子發(fā)射；EA為加速電源，其輸出的直流高壓(一般為60KV或150KV)施加于電子槍陰極C與陽極A之間(陰極C接負、陽極A接正)，借助于C－A之間形成的高壓電場使陰極C發(fā)射的電子流加速而獲得高的能量；EC則為柵偏壓電源，其輸出為一直流電壓UG(稱“柵偏壓”)并施加在電子槍的陰極C與柵極G之間(陰極C接正、柵極G接負)。由于柵偏壓UG的作用，使得電子槍的陰極C與柵極G之間產(chǎn)生一個抑制陰極電子發(fā)射的電場，當用某種方式使UG從零調(diào)節(jié)到最大值(取決于加速電壓EA的大小，一般為－1KV或－2KV)時，C－G之間的電場則由弱到強的變化，從而使得陰極C發(fā)射的電子束流iB相應(yīng)地由最大值減小到零(即“束流截止”)，這就是用柵偏壓UG進行束流控制的工作原理。圖2所示即為加速電壓一定時，三極式電子槍陰極C發(fā)射的電子束流iB與柵偏壓UG的關(guān)系曲線iB＝f(UG)。在電子束焊接設(shè)備中，正是利用柵偏壓UG的變化來調(diào)節(jié)電子束流iB的大小，從而控制作用在被焊工件上的電子束能量，最終達到控制焊縫熔化深度等目的。
在現(xiàn)有的電子束焊接設(shè)備中，束流控制器(柵偏壓電源EG)的原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。它由變壓器T、整流器AV、濾波器(包括電阻R1、R2和電容C)組成。該束流控制器EG安裝在圖1的高壓電源HS中，其輸入端X1、X2(即變壓器T的原邊)由交流調(diào)壓電源eg供電，其輸出端H1、H2提供的柵偏壓UG經(jīng)高壓電纜HC的線芯P1、P2施加在電子槍的陰極C和柵極G之間。調(diào)節(jié)變壓器T原邊交流輸入電壓eg，即可改變付邊輸出之柵偏壓UG的大小，從而達到調(diào)節(jié)電子束電流iB的目的。在這里，變壓器T的作用是(1)將原邊交流電壓eg升壓后經(jīng)整流、濾波而形成電子槍工作所需要的柵偏壓UG；(2)將處于直流高電位的付邊繞組W1與處于低電位的原邊繞組WO及電源eg從電氣上隔離。因此，在這種線路中柵偏壓的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)設(shè)立在變壓器T的原邊(低壓側(cè))。由于eg)一般為工頻(50或60HZ)，且濾波器中R、C較大，使得整個柵偏電源時間常數(shù)大、動態(tài)響應(yīng)差，更不能產(chǎn)生脈沖波形的柵偏壓和脈沖電子束電流。
本實用新型發(fā)明的目的是為了減小上述束流控制器的柵偏壓時間常數(shù)，改善動態(tài)響應(yīng)，并能產(chǎn)生脈沖波形的柵偏壓和脈沖電子束，以便于控制作用在被焊工件上的電子束能量，實現(xiàn)連續(xù)焊、間接焊及變截面工件焊接等工藝。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型對三極式焊接電子槍的束流控制器，提供了一種新的電路結(jié)構(gòu)，用這種電路制作的束流控制器稱為“三極式焊接電子槍束流光控器”，簡稱“束流光控器”。
該束流光控器的原理電路如圖4所示，它包括光信號發(fā)生器1、高壓光電耦合器2、柵偏壓放大器3、保護電路4及隔離電源5。光信號發(fā)生器1中的LG輸出電流，使發(fā)光二極管V8發(fā)出紅外光信號，經(jīng)高壓光電耦合器2中的光導(dǎo)纖維束CL到光電三極管V2，V2將光信號轉(zhuǎn)換成電信號進入柵偏壓放大器3的輸入端，并經(jīng)晶體管V3放大后接電子管V1的控制柵極g1，由電子管V1的負載電阻R7輸出電壓UG，UG由H1、H2兩端通過高壓電纜HC的線芯P1、P2施加到電子槍EGW的柵極G、陰極C(見圖5)，作為電子槍EGW的柵偏壓，隔離電源5中的變壓器T付邊繞組W1、W2、W3經(jīng)整流－濾波－穩(wěn)壓后分別給電子管V1提供板極電壓Ea、簾柵極電壓Eg2、控制柵極電壓Eg1，繞組W4提供燈絲電壓Ef。


圖1－采用三極式電子槍的電子束焊接設(shè)備示意圖圖2－電子束流iB與柵偏壓Ug的關(guān)系曲線圖圖3－已有技術(shù)電子槍柵偏壓電源的電路結(jié)構(gòu)圖圖4－本實用新型“三極式焊接電子槍束流光控器”的電路結(jié)構(gòu)圖圖5－采用本實用新型的電子束焊接設(shè)備示意圖結(jié)合附圖4、圖5對本實用新型各部分組成及作用進行詳細說明。
光信號發(fā)生器1－－是一個能提供發(fā)光二極管V8(為高壓光電耦合器2的輸入端)工作電流的信號源，其輸出的電流應(yīng)是連續(xù)可調(diào)的直流電流或幅值、頻率及占空比可調(diào)的脈沖電流。
高壓光電耦合器2－－其輸入端為工作在紅外波段的發(fā)光二極管V8，輸出端為光電三極管V2，二者之間用帶絕緣護套的光導(dǎo)纖維束CL作光耦合。CL的有效直徑為2mm左、右，其長度應(yīng)能保證可靠地承受電子槍加速電源直流高壓EA(60KV或150KV)而不被擊穿。
柵偏壓放大器3－－由電子管V1、晶體管V3、光電三極管V2(亦屬高壓光電耦合器2的輸出端)及電阻R1、R2、R3、R7組成。電子槍中用于控制電子束流iB的柵偏壓UG即由該放大器中電子管V1的負載電阻R7兩端取得，放大器3的輸入級(光電三極管V2)接收的是經(jīng)高壓光電耦合器2傳輸?shù)墓饪匦盘?。在該放大器中采用的電子管V1應(yīng)滿足板極工作電壓大于3KV的要求(如型號為6P13的束射四極管)；光電三極管V2則要求其工作波長處于紅外波段；V3用小功率開關(guān)三極管即可。
保護電路4－－由限流電阻R5、R6及二極管V4－7等組成。當電子槍的陽極A對柵極G發(fā)生意外的高電壓放電時，R5及V4－7為放電電流提供一條通路，從而保護了束流控制器的其他部分不致因高壓擊穿而損壞。R6的作用則是防止因電子槍陰極C與柵極G意外短路而使電子管V1過載。
隔離電源5－－它為束流控制器各部分電路的工作提供規(guī)定的電壓。其中變壓器T的作用是將處于與電子槍陰極C相等的高電位的付邊各繞組(W1－W4)與處于低電位的原邊繞組WO在電氣上隔離，同時由付邊繞組(W1－W3)電壓經(jīng)整流－濾波－穩(wěn)壓后分別向電子管V1提供板極電壓Ea、簾柵極電壓Eg2和控制柵極電壓Eg1，繞組W4則向電子管V1的燈絲提供交流加熱電壓Ef；變壓器T的原邊繞組WO的供電可直接取自單相220V的工頻市電且不需調(diào)壓。
上述三極式焊接電子槍束流光控器的各部分除光信號發(fā)生器1外，均組合安裝成一整體，它與電子槍EGW及高壓電源其除部分的連接見圖5所示。由于高壓電源的工作電壓高達60KV或150KV，因此其內(nèi)部充滿絕緣油，整個束流光控器除光電耦合器2輸入端的發(fā)光二極管V8和光信號發(fā)生器1外，其余各部分也都置于絕緣油中。束流光控器輸出端H1、H2提供的電子槍柵偏壓UG經(jīng)高壓電纜HC的線芯P1、P2施加在電子槍的陰極C和柵極G之間(見圖5)。
由上述可見，當電子束焊接設(shè)備投入工作時，圖4中的光信號發(fā)生器1輸出電流使發(fā)光二極管發(fā)出紅外光信號，此信號經(jīng)光電耦合器2傳輸?shù)綎牌珘悍糯笃?輸入級的光電三極管V2，V2將光信號轉(zhuǎn)換成電信號并經(jīng)放大后由其輸出級電子管V1的負載電阻形成電子槍的柵偏壓UG(見圖5)，UG經(jīng)高壓電纜的線芯P1、P2施加于電子槍的陰極C與柵極G之間并對電子束電流iB起控制作用。因此，當調(diào)節(jié)光信號發(fā)生器1的輸出時，束流光控器輸出的電壓UG隨之變化，從而使電子槍發(fā)射的電子束電流iB按照圖2所示的iB＝f(UG)關(guān)系確定。顯然，當光信號發(fā)生器1輸出脈沖或其他波形信號時，電子槍發(fā)射的電子束流iB也是脈沖或相應(yīng)波形。
本實用新型較現(xiàn)有控制器的優(yōu)越之處主要是(1)束流控制信號的傳輸通路中沒有電感、電容之類的元件，因而具有對束流“快速”控制的特點。它不僅可用于恒定束流控制，而且可以得到階梯形或脈沖束流，從而可方便地實現(xiàn)連續(xù)焊、間接焊及變截面工件焊接等工藝方法；(2)束流控制信號從低電位處向電子槍高電位電極的傳輸采用了紅外光，并且用可靠絕緣的光導(dǎo)纖維作高壓光電耦合器，從而提高了抗干擾能力和電氣安全性能。
本實用新型適用于采用三極式電子槍的電子束焊接設(shè)備作電子束電流的控制，在原理上亦適用于其它電子束設(shè)備中三極式電子槍的束流控制。本實用新型是一種電路結(jié)構(gòu)合理、控制方法先進、安全可靠、經(jīng)濟適用的電子束電流控制器。
權(quán)利要求1.三極式焊接電子槍束流光控器，可輸出一個電壓UG作為三極式焊接電子槍的柵偏壓，其特征是該束流光控器是由光信號發(fā)生器(1)、高壓光電耦合器(2)、柵偏壓放大器(3)、保護電路(4)及隔離電源(5)組成，光信號發(fā)生器(1)的輸出電流使發(fā)光二極管V8發(fā)出紅外光信號，經(jīng)高壓光電耦合器(2)中的光導(dǎo)纖維束CL傳遞到光電三極管V2，V2將光信號轉(zhuǎn)換成電信號進入柵偏壓放大器(3)的輸入端，并經(jīng)晶體管V3放大后接電子管V1的控制柵極g1，由電子管V1的負載電阻R7輸出電壓UG，UG由H1、H2兩端通過高壓電纜HC的線芯P1、P2施加到電子槍的柵極G、陰極C，作為電子槍的柵偏壓，隔離電源(5)中的變壓器T付邊繞組W1、W2、W3經(jīng)整流-濾波-穩(wěn)壓后分別給電子管V1提供板極電壓Ea、簾柵極電壓Eg2、控制柵極電壓Eg1，繞組W4提供燈絲電壓Ef。
2.根據(jù)權(quán)項1所述的電子槍束流光控器，其特征是高壓光電耦合器(2)中的光導(dǎo)纖維束CL是采用帶絕緣護套的光導(dǎo)纖維束，CL的長度應(yīng)保證承受電子槍加速電源直流高壓EA(60KV或150V)不被擊穿。
3.根據(jù)權(quán)項1所述的電子槍束流光控器，其特征是束流光控器的各部分除光信號發(fā)生器(1)外，均組合安裝成一整體；除發(fā)光二極管V8和光信號發(fā)生器(1)外，其余各部分都置于絕緣油中。
專利摘要三極式焊接電子槍的束流光控器，它是由光信號發(fā)生器、高壓光電耦合器、柵偏壓放大器及保護電路等部分構(gòu)成。其光信號發(fā)生器發(fā)送連續(xù)或脈沖的紅外光信號，此信號經(jīng)高壓光電耦合器傳送至柵偏壓放大器放大后即可作為三極式焊接電子槍的柵偏壓，用以控制電子束電流。該束流光控器具有對電子束電流“快速”控制的特點，故可以得到按不同斜率遞增、衰減的恒定、脈沖或階梯波形束流，可方便地實現(xiàn)連續(xù)、間斷、脈沖及變截面工件的電子束焊接。
文檔編號B23K15/02GK2176211SQ93239518
公開日1994年9月7日 申請日期1993年11月9日 優(yōu)先權(quán)日1993年11月9日
發(fā)明者聶淦生, 蒲成易 申請人:機械工業(yè)部成都電焊機研究所