[發明專利]一種適用于高頻脈沖電子束焊接的偏壓電源裝置

無效

• 申請號: 201210345485.9
• 申請日: 2012-09-17
• 公開（公告）號: CN102886598A
• 公開（公告）日: 2013-01-23
• 發明（設計）人: 齊鉑金;徐國宇
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B23K15/00
• 分類號: B23K15/00
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 李有浩

技術領域

本發明涉及一種適用于電子束焊接的電源，更確切地說，是指一種適用于高頻脈沖電子束焊接的偏壓電源裝置。

背景技術

脈沖電子束焊接與常規連續束流電子束焊接一樣，燈絲發射的電子在加速電壓20kV～200kV的高壓加速場下加速到光速的0.3～0.7倍轟擊被焊接工件，電子的動能即刻將變為熱能，使焊接工件接縫熔化，隨后的冷卻使融化金屬陸續形成所要求的焊縫，區別是連續束流電子束焊接是指電子束流以連續束流形式進行焊接，而脈沖電子束焊接是把電子束流調制成周期變化的脈沖方波束流進行焊接。

脈沖電子束焊接除了具備連續束流電子束焊接加熱功率密度大、焊縫深寬比大、焊接速度快、可焊材料多等特點外，還具備以下特點：在同等平均功率輸入的情況下，相比常規直流電子束焊接，脈沖電子束焊接能最大程度發揮焊接過程中的“匙孔”效應，穿透深度要大30％～50％，深寬比也大30％～50％。脈沖電子束焊接對需要進行電子束焊接的薄壁件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。因此脈沖電子束焊接具有連續束流電子束焊接不可比擬的優勢。

在脈沖電子束焊接的工藝參數中，脈沖頻率對焊接接頭質量有重要的影響，比如隨著脈沖頻率的提高，脈沖電子束焊接對焊縫熔深和熔寬、接頭組織產生顯著影響，尤其是脈沖頻率超過20kHz時，由于熱激波所傳播的沖擊載荷，在材料內部傳播和反射，具有破碎作用，可以擊碎粗大的柱狀晶，細化焊縫晶粒，這些經過細化的晶粒再次成為晶粒形核長大的核心，通過晶粒細化，可提高焊接接頭的拉升強度和韌性。因此高頻脈沖有著低頻脈沖沒有的特點，能夠大幅度提高電子束焊接質量。

脈沖束流的控制方式受電子槍結構影響，目前電子槍一般采用三極槍形式，該方式脈沖束流的控制主要通過調節柵極偏壓電源輸出脈沖電壓實現，因此要想實現高頻脈沖束流電子束焊接，必須將柵極偏壓電源（以下稱高頻脈沖偏壓電源）輸出電壓調制成高頻脈沖電壓輸出。由于高頻脈沖偏壓電源是串接在高壓電源上，其浮地電壓高達幾十千伏甚至上百千伏以上，同時由于脈沖頻率特別高，達到幾萬赫茲，因此實現高頻脈沖電子束焊接和對高頻脈沖束流波形精確控制非常困難。

目前存在的低頻脈沖偏壓電源較難實現高頻脈沖輸出，主要是由于電路中存在電容和電感等儲能元器件使得當脈沖頻率較高時波形畸變嚴重，已經嚴重影響脈沖電子束流的品質。而目前應用在電子束焊接領域之外的高頻脈沖偏壓電源（屬于開關電源）主電路拓撲目前有兩種拓撲結構：斬波式和逆變加斬波式。斬波式拓撲結構具有結構較簡單，成本低的優點，但由于高頻脈沖偏壓電源必須要有高壓隔離，因此該拓撲結構不適合電子束焊接高頻脈沖偏壓電源。逆變加斬波式拓撲結構主要通過調節加在高壓隔離變壓器次邊高壓側斬波降壓電路實現脈沖偏壓，這種脈沖偏壓生成方式不受前級電容和電感等元器件值大小的影響，產生的脈沖偏壓波形準確、無畸變，但若應用在電子束焊接電源中，由于其必須串聯在幾十千伏甚至上百千伏以上高壓電源上，斬波降壓電路的開關管的驅動需要幾十千伏甚至上百千伏的高壓隔離，實際操作起來比較困難，以及若電源放電非常容易破壞高壓驅動，維修時需要拆開高壓油箱，因此該方式實現高頻脈沖電子束焊接具有工作時穩定性較差和維修時非常不方便的缺點。

發明內容

為了解決上述缺陷和針對高頻脈沖電子束焊接的特點，本發明提供了一種適用于高頻脈沖電子束焊接的新型偏壓電源裝置，通過調節高壓隔離變壓器前級低壓電路方式生成高頻脈沖偏壓，該方式結構簡單，穩定性高和維修方便。通過控制前級低壓電路實現偏壓脈沖頻率10kHz～100kHz、幅值0～2000V和占空比0～100%連續調節，對應實現脈沖束流頻率10kHz～100kHz、幅值0～200mA和占空比0～100%連續調節。

本發明是一種適用于高頻脈沖電子束焊接的偏壓電源裝置，該偏壓電源裝置包括基值偏壓產生模塊、高頻脈沖偏壓產生模塊、PWM（脈沖寬度調制）模塊和驅動電路模塊；

所述的基值偏壓產生模塊包括有第一直流穩壓電源（101）、第一半橋逆變電路（102）、第一高頻升壓變壓器（103）、第一高壓整流電路（104）和第一濾波電路（105）；

所述的高頻脈沖偏壓產生模塊包括有第二直流穩壓電源（201）、第二半橋逆變電路（202）、第二高頻升壓變壓器（203）、和第二高壓整流電路（204）；

所述的PWM電路包括有第一PWM電路（109）、第二PWM電路（208）；

所述的驅動電路包括有第一驅動電路（108）、第二驅動電路（107）、第三驅動電路（207）、第四驅動電路（206）；