电子束焊机用高压电源的应用及发展趋势

1概述

电子束焊机的工作原理是阴极加热发射的电子经高压电场加速后形成能量密度极高的电子束，如果用此高能电子束撞击工件，巨大的动能转变为热能使工件熔化，从而实现对工件的焊接[1]。它涉及到高电压技术、电子光学、真空技术、精密机械制造、自动化技术、电子计算机技术等，是一高科技工业产品。在上世纪中叶，由于一些特殊材料的焊接需要，人们开始利用电子束焊满足特殊焊接要求，另外也由于电子束焊具有优良的焊接性能，在西方国家获得了广泛的应用和发展。上世纪60年代以来，我国因国防工业、航空航天、原子能工业等高科技产业对一些特殊焊接工艺的需要，开始从西方国家引进电子束焊接设备，特别是自改革开放以来，电子束焊机引进的数量愈来愈多，其应用范围也扩展到其它工业领域。与此同时国内的有关科研单位和制造厂家也开始联合研制电子束焊机，以满足国民经济发展的需要。1978年桂林电器科学研究所研制出我国第一台电子束焊机，实现了我国电子束焊机制造和研究零的突破，并具体应用到火箭发动机零件的焊接。到目前为止，据不完全统计，我国有关部门应用电子束焊机已达100多台，其中引进焊机约占一半左右。国产电子束焊机经过二十多年的发展，在技术及可靠性方面虽已有了极大的提高，但与西方发达国家的电子束应用技术相比还有很大的差距，特别是在高压电源的制造及控制技术方面尤其如此（目前我国还不能生产150kV高压型电子束焊机）。由于高压电源在电子束焊机中举足轻重，为此国外的电子束焊接设备制造公司专门成立研究开发机构，以满足电子束技术发展的需要。鉴于此我国更需加强高压电源本体制造技术和控制技术方面的研究[2]。本文重点介绍目前国内外电子束焊机用高压电源的应用实例。根据高压电源的特点及其在使用过程中出现的新问题，分析高压电源的发展方向。其目的是使我国一些应用部门较全面了解高压电源的发展趋势，推动高压电源研究的深入开展，从整体上提高我国电子束焊机的制造水平。

2电子束焊机用高压电源的技术要求及分类

2.1电子束焊机用高压电源的技术要求

电子束焊机用高压电源与其它类型的高压电源相比，具有不同的技术特性。由于电子束焊机用高压电源国内外还没有一个统一的标准，本文只能根据国外电子束焊机制造商的出厂标准、德国DIN标准和我国电子束焊机的技术标准，归纳如下：

图1Techmeta公司焊机用高压电源的系统框图

（1）对电源纹波和稳定度的要求

纹波系数小于1％，稳定度为±1％，几乎所有的电子束焊机制造商都提出这样的要求。其中德国PTR公司还要求中压型的相对纹波系数小于0.5％，稳定度为±0.5％，同时还提出了重复性要求小于0.5％。以上要求均根据电子束和焊接工艺决定。

（2）保护性能要求

电子束焊机用高压电源在操作时必须与有关系统进行连锁保护，主要有真空连锁、阴极连锁、闸阀连锁、聚焦连锁等，以确保设备和人身安全。高压电源必须符合EMC标准，具有软起动功能，防止突然合闸对电源的冲击。

（3）其它要求

较高的可靠性，属户内设备，要求连续工作，外观满足工业设备要求，维修方便等。

2.2电子束焊机用高压电源的分类

电子束焊机用高压电源按控制方式、调节方式、绝缘介质使用、电压等级及功率、供电方式等进行分类，具体如下：

（1）按电压等级可分为高压型和中压型，前者额

定工作电压为100kV及以上，常见有100kV、120kV、150kV、170kV等；后者为70kV及以下，最常见的为60kV和50kV。

（2）按焊接功率可分为小功率、中功率、大功率，

小功率输出功率在3kW及以下，适用于薄件的焊接；中功率通用性较强，适合于通用零件的焊接；大功率主要用于大厚件的焊接如汽轮机隔板的焊接等。

（3）按绝缘介质分主要有油绝缘型和气体绝缘型，

前者俗称高压油箱，常用变压器油或者十二烷基苯等绝缘介质；后者正处在研究之中，适用于便携式焊机。

（4）按供电形式可分为工频、中频、高频，工频由公

用网供电，中频一般用中频机组供电，高频供电频率在10kHz以上，一般采用大功率晶体管振荡器、晶闸管变流器及其它类型的逆变器。

（5）按控制电路可分为直流伺服调压型、晶闸

管调压型、脉宽调制（PWM）逆变型、中频机组调压型、高压真空管直接调整型。

（6）按调节方式可分为直接调整式和间接调整式，

前者指的是调节和稳定直接在高压侧进行；后者指的是调节和稳定在低压侧进行，一般通过调节升压变压器的原边电压来实现。

3电子束焊机用高压电源的应用实例

电子束焊机用高压电源的主电路原理基本相同，通常经过高压变压器