電子束熔絲增材制造大功率電子槍研制

桑興華， 許海鷹，， 楊 波， 彭 勇

1. 中國航空制造技術研究院 高能束流發生器實驗室，北京 100024 2. 南京理工大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210094

0 引言

傳統機械加工制造技術的加工周期和制造成本已經無法適應航空航天領域新結構日趨復雜化、大型化的需求。國內外常用電子束、激光等高能束流熔絲成形技術制備大型復雜金屬結構，部分采用該技術制備的大型結構已經得到了裝機應用［1-4］。

與激光熔絲成形技術相比，電子束能量轉化效率高，功率大，成形效率高，可熔絲成形難熔金屬。成形過程在真空環境下進行，對熔池的保護效果好，成形質量高，在中、大型構件的增材制造領域具有獨特優勢［5-9］。TAMINGER［10］等人開了一套成形效率可達2 500 cm3/h的電子束熔絲增材制造裝備。Dmytro［11-12］等人開發了一種新型電子束熔絲增材制造裝置，提高了成形精度和效率。許海鷹［13］等人研制了用于增材制造的絲束同軸電子槍，結構簡單適合做室內動槍。董全林［14-15］等人設計并研究了10 kV太空用電子槍電子光學系統以及100 kV焊接用電子槍。

本研究根據電子束熔絲增材制造需求，結合理論計算，設計了電子槍結構及其電子光學系統，以及聚焦及掃描線圈的驅動電路，解決了高壓絕緣子、高壓傳輸、金屬蒸氣防護、高壓靜電場對電子束流品質影響等問題。并對所研制的電子槍進行了測試分析，以期滿足束流品質好、成形效率高、大型金屬結構件快速制造的需求。

1 電子槍設計

1.1 電子槍結構

研制的電子槍結構如圖1a所示。燈絲組件、柵極、陽極、聚焦線圈、掃描線圈從上到下依次分布且同軸。燈絲組件、柵極安裝在同軸絕緣子上，然后再通過同軸絕緣子與電子槍殼體固定，與傳統電子槍相比同軸絕緣子采用多層陶瓷環與金屬環高溫釬焊而成（見圖1b），同軸絕緣子可以保證燈絲組件和柵極的同軸度，提高電子束流品質。在同軸絕緣子與電纜端子電聯接一端與電子槍頂蓋內側形成一個密封腔體，內部充滿絕緣油，絕緣油耐壓達到15 kV/mm 以上，在電子槍頂蓋內側設置蛇形水冷管，設置其進水口與出水口，蛇形水冷管連接真空室外部的水冷設備通過水冷帶動油冷，可以冷卻同軸絕緣子，提高電子槍長期工作的穩定性。本文研制的電子槍通過電纜端子上的至少3根相互絕緣導體的高壓電纜與真空室外高壓逆變電源電聯接；電纜端子采用環氧樹脂固化密封，高壓電纜的3 根導體分別與燈絲組件兩端以及柵極聯接。

圖1 電子槍結構示意Fig.1 Structure diagram of gas-discharge EB gun

燈絲組件、柵極、同軸絕緣子、電纜端子等組成電子槍的上段殼體部分，陽極、分子泵、聚焦線圈、掃描線圈等組成電子槍的下段殼體部分，與傳統電子槍相比，上段殼體部分與下段殼體部分通過鉸鏈連接，上段殼體部分依靠鉸鏈支撐可以翻轉90°，方便用戶更換燈絲組件。

如圖2所示，電子槍中段陽極安裝在柵極正下方的陽極安裝座上，由于電荷空間效應，大束流時會有部分電子不穿過陽極孔，直接打在陽極上，使陽極發熱，同時陰極加熱溫度較高，對陽極的熱輻射效應明顯，導致陽極溫度較高，故陽極材料選用熱導系數較高的黃銅材料，并在陽極安裝座上設置水冷通道，從而有效保護陽極。與傳統電子槍相比，把束流通道和抽真空氣流通道分隔開，金屬蒸氣只能通過陽極孔一個通道進入束源段，大大減少了金屬蒸氣對束源段的污染，延長陰極使用壽命。

圖2 電子槍中段剖面Fig.2 Middle part sectional drawing of the electron gun

陽極向下依次安裝聚焦線圈、掃描線圈等。聚焦線圈產生可使電子束匯聚的軸向電磁場，聚焦線圈內部為在中心開孔的“工”字型黃銅骨架上繞制的繞組，繞組由漆包線分多層均勻密繞而成，外部包裹由DT4C 材料制成的磁軛。掃描線圈設置X向、Y向線圈組，線圈通過電流產生的磁場可以使垂直入射的電子束產生偏轉，可以通過掃描電流波形設置，使電子束在絲端或成形工件表面設定區域進行掃描，以便滿足特殊的成形工藝需求。

1.2 大功率移動式電子槍的電子光學系統設計

電子槍的陰極、陽極之間施加高壓，不僅對電子進行加速，而且柵極、陽極形面形成的靜電場對發散的電子有匯聚作用，在陽極束流輸出孔附近形成電子束“注腰”，陽極接地，電子束經過陽極孔輸出口后，進入到無場空間，如果不進行約束，由于運動的電子相互之間的斥力，電子束會逐漸發散，到達工件表面，束斑會很大，電子束束斑的平均能量密度很低，幾乎無法進行加工，因此，還需要采用電磁聚焦系統保證在有效工作距離內使電子束斑的能量密度足夠大，滿足熔化金屬需求。

本文研制的電子槍的電子光學系統不僅包括柵極、陽極組成的靜電匯聚系統，也包括電磁聚焦系統。電子光學系統可以采用經典理論公式進行計算［16］，也可以采用模擬仿真方法確定，與經典理論計算公式相比，模擬仿真方法更加高效［17-19］，獲得結果更加明了。采用電磁仿真軟件對研制的電子槍的電子光學系統進行仿真，建立的1∶1 仿真模型如圖3所示。

圖3 仿真模型Fig.3 Model for simulated analysis

柵極、陽極結構主要是影響束電子束的靜電匯聚效果，并影響最終的束流品質。利用電磁仿真軟件對柵極開口直徑D、陰極端面到陽極頂部的距離L、陽極孔徑d、陽極錐面傾角α進行模擬仿真，如圖4所示。每次控制單一變量，仿真得到陰陽極高壓靜電場分布如圖5所示，電子從陰極表面發射后受垂直電場線方向的力并加速運動，得到完整的電子束流軌跡如圖6所示，可通過比較最終工作焦點處電子束流密度大小來判斷電子束流品質，電子束流密度越大證明電子束能量越集中，束斑直徑越小，束流品質越好。

圖4 柵極-陽極關鍵參數Fig.4 Key parameter of anode and grid

圖5 高壓靜電場分布Fig.5 Distribution of high voltage electrostatic field

圖6 完整束流軌跡Fig.6 Track of whole electron beam

通過仿真得到柵極開口直徑D和焦點處電子束束流密度J關系曲線如圖7所示。

圖7 柵極開口直徑和焦點處束流電流密度關系曲線Fig.7 Curve about grid gap diameter and current density at focal point

可知在D=12～16 mm 范圍內，隨著陰極球面半徑增加，束流最終焦點處電流密度先增加，后減小，大約在14 mm處達到最大值，故選取D=14 mm作為最終設計柵極的球面直徑尺寸。

陽極孔徑d與焦點處電子束束流密度J關系曲線如圖8所示。在d=2～5 mm 范圍內最終工作焦點處電流密度隨著陽極孔徑的增大，先增加后減小，大約在孔徑3.5 mm處達到最大。故選取d=3.5 mm作為電子槍設計時陽極孔徑的最終尺寸。

圖8 陽極孔徑和焦點處電流密度關系曲線Fig.8 Curve about anode gap diameter and current density at focal point

得到陽極傾角α與焦點處電子束束流密度J關系曲線如圖9所示。在α=125°～155°變化范圍內，最終焦點處電流密度隨著陽極傾角的變化先增加后減小，在陽極傾角約為140°時達到最大，故選取α=140°為最終電子槍陽極傾角的設計尺寸。

圖9 焦點處電流密度隨陽極傾角變化關系曲線Fig.9 Curve about anode bank angle and current density at focal point

得到陰陽極距離L與焦點處電子束束流密度J關系曲線如圖10所示。在L=10～13 mm 范圍內，隨著陰陽極距離的增大，最終工作焦點處電流密度逐漸減小，大約在10 mm處達到最大值。故選取陰陽極距離L=10 mm作為最終尺寸。

圖10 最終焦點處電流密度隨陰陽極距離變化曲線Fig.10 Curve about L and current density at focal point

2 電子槍電子光學系統控制電路

2.1 聚焦線圈驅動電路

設計的聚焦線圈驅動電路采用OPA549作為主功率芯片，LA25-NP作為電流傳感器。聚焦電流控制電路如圖11所示。OPA549 具有大的輸出電流，輸出電流最大峰值10 A，可連續輸出8 A電流，可以單電源供電+8 V～+60 V，也可以雙電源供電±4 V～±30 V；具備熱關斷功能、限流功能、熱關斷指示，轉化率可達9 V/μs，具有控制參考端。

圖11 聚焦線圈驅動電路Fig.11 Driver circuit of focus coil

LA25-NP的第2腳與第10腳、第3腳與第9腳、第4 腳與第8 腳、第5 腳與第7 腳分別連接在一起，將采樣電流最大設置為5 A。電流傳感器LA25-NP采集到流過線圈的電流將電流采樣信號IF 輸入到運放U3B 的正端，U3B 的輸出端與U2C 的負端連接，U2C 的正端輸入聚焦電流給定信號，U2C 計算出的電流差值作為U2D的正端給定信號，將U2D的輸出信號作為OPA549的輸入信號，OPA549將該信號放大，輸入到聚焦線圈，聚焦線圈輸出電流可以根據聚焦電流給定信號Ifg進行調節。

由于聚焦線圈內阻達到14.6 Ω，聚焦電流采樣電阻是兩個5 Ω/10 W 電阻R01 與R02 并聯而成，而供電電源最大電壓36 V，對聚焦線圈驅動電路的最大輸出電流進行檢測，采用示波器檢測聚焦電流采樣電阻上的信號，檢測最大電流達到1.49 A。

2.2 偏轉掃描線圈驅動電路

掃描線圈包含X向和Y向繞組，每個繞組所需要的驅動電路拓撲相同，均基于高壓大電流功率放大器OPA541 進行設計，偏轉掃描線圈驅動電路原理如圖12所示。

圖12 掃描線圈驅動電路原理Fig.12 Driver circuit of scan coil

高壓大電流功率放大器Ι-2的輸出端連接到X軸方向掃描線圈的一端，掃描線圈的另外一端連接限流電阻，限流電阻再與X向霍爾電流傳感器LA25-NP 一端聯接，LA25-NP 的另外一端連接到高壓大電流功率放大器Ι-1的輸出端。當高壓大電流功率放大器Ι-1 工作于正電壓時，高壓大電流功率放大器Ι-1 輸出放大后的正電壓，同時高壓大電流功率放大器Ι-1輸出的信號輸入到高壓大電流功率放大器Ι-2的負輸入端，經過1∶1信號放大，高壓大電流功率放大器Ι-2輸出與高壓大電流功率放大器Ι-1輸出信號反向的波形，對掃描線圈而言，兩個功率放大器施加在掃描線圈兩端，起到“一推一拉”的效果，使得線圈兩端電壓增大一倍，提高電流變化率，提高掃描頻率［20］。Y軸方向掃描線圈驅動原理與X軸方向掃描線圈的類似，不再贅述。

采用TPS2024、TCAP300、AFG3022 對偏轉掃描線圈驅動電路輸出電流進行檢測，TPS2024 用于檢測輸入信號波形、限流電阻的電壓信號、線圈電流信號；AFG3022函數發生器用于向偏轉掃描控制電路輸出掃描波形，TCPA300配合電流探頭檢測線圈流過電流。

掃描線圈內阻1.1 Ω，偏轉掃描線圈驅動電路輸入電壓±24 V/2 A，檢測波形如圖13所示，CH1 為限流電阻兩端電壓波形，CH2 為輸入信號波形，CH4為流過掃描線圈的電流波形。由圖13可以看出，輸入方波信號時，偏轉掃描線圈驅動電路輸出最大電流峰-峰值達到了2.12 A，即輸出電流為±1.06 A；輸入信號為三角波形，偏轉掃描線圈驅動電路輸出電流峰-峰值達到2 A；掃描頻率2 kHz時，線圈中電流能夠快速變化。

3 電子槍性能檢測分析

將本文研制的大功率移動式電子槍與真空系統、高壓逆變電源、PLC 控制系統、送絲機構、水冷系統等進行集成，組成一套電子槍電子束流品質檢測分析試驗平臺，如圖14所示。對電子槍的耐壓、最大束流、束流品質、熔絲效率等進行檢測分析。

圖14 試驗平臺Fig.14 Experimental platform

3.1 電子槍的耐壓

在真空室的真空度達到設計要求，啟動高壓逆變電源，每隔5 min 增加-5000 V 工作電壓，逐漸增加到-75 kV以上，保持工作電壓不變，持續20 min，在此期間，電子槍沒有放電現象發生，表明電子槍的耐壓能夠達到設計要求。測試結果如圖15所示，測試結果表明，本文研制的大功率移動式電子槍耐壓達到-75 kV以上。

圖15 電子槍耐壓測試曲線Fig.15 Curve of high voltage insulation test of EB gun

3.2 輸出最大束流及束流品質分析

電子槍最大束流輸出可以通過檢測高壓逆變電源的束流采樣電阻與電壓值進行確定，所用束流采樣電阻為18 Ω，由兩只36 Ω/50 W 功率電阻并聯而成，當束流達到500 mA時，高壓采樣電阻檢測波形為9 V直流電壓波形。所用高壓采樣電路由分壓電阻和高壓采樣電阻組成，分壓電阻阻值600 MΩ，由12只50 MΩ/5 W高壓電阻串聯而成，高壓采樣電阻為90 kΩ，當電子槍工作電壓達到-60 kV，高壓采樣電阻檢測的電壓波形為-9 V 直流電壓波形。采用TPS2024 示波器檢測高壓逆變電源的一路升壓功率變壓器原邊電壓、電流波形與高壓采樣電阻、束流采樣電阻上的電壓信號，最大束流輸出時，檢測結果如圖16所示。升壓功率變壓器原邊電壓波形直接用高壓探頭檢測，升壓功率變壓器原邊電流波形采用變比500 的霍爾電流傳感器檢測，電流采樣電阻20 Ω。

CH1—高壓采樣波形；CH2—升壓功率變壓器原邊電流波形；CH3—電子束流采樣波形；CH4—升壓功率變壓器原邊電壓波形圖16 最大束流輸出檢測的功率變壓器原邊電壓、電流與束流、高壓波形Fig.16 Waves of power supply at the maximum beam current output

由圖16 可知，在電子槍工作電壓達到-60 kV時，檢測到的束流采樣電阻的平均電壓為11 V，表明最大束流輸出達到611 mA。

采用研制的電子槍樣機作為室外定槍，采用-60 kV/350 mA 束流輸出時，拍攝的真空室內束流照片如圖17所示。電子束流品質評測方法較多，可以采用專用儀器設備檢測束斑直徑、能量密度分布等［21-22］，也可以檢測焊縫形貌對束流品質進行間接分析，其中采用焊縫形貌分析直觀明了，分析成本較低。TC4 鈦合金具有優良的耐蝕性、較高的比強度及較好的韌性和焊接性等一系列優點，在航空航天、石油化工、造船、汽車，醫藥等部門都得到成功的應用，本文選用TC4 鈦合金作為實驗材料，驗證電子槍性能，焊接參數為：焊接速度600 mm/min，加速電壓-60 kV，束流為425 mA，聚焦電流75 mA，工作距離300 mm。焊縫橫截面照片如圖18所示。

圖17 -60 kV/350 mA電子束流照片Fig.17 -60 kV/350 mA electron beam photo

圖18 TC4焊縫截面Fig.18 TC4 weld section

從圖18 可以看出，焊縫深寬比達到10∶1，焊縫深度可達到60 mm 以上，焊縫均勻，表明研制的電子槍的束斑形貌較好、能量集中、穿透能力較強，并且具有焊透更大厚度鈦合金的能力。

3.3 熔絲成形效率分析

在基板上堆積T 形試樣，熔絲成形前檢測基板重量G1，在基板上熔絲成形試樣后，檢測其重量為G2，熔絲成形時間t，采用Pr=（G2-G1）/t，即可計算出熔絲成形效率。堆積試樣前檢測基板重量10 kg，采用加速電壓-50 kV，束流210 mA，直徑2 mm的TC4鈦合金絲材高速送進，連續成形5 min，熔絲成形后的基板和試樣重量10.43 kg，可以計算出熔絲成形效率達到5.16 kg/h。圖19 是采用在線觀察系統觀察的雙絲成形過程照片，T形試樣如圖20所示。

圖19 雙絲熔絲成形照片Fig.19 Photo of double wire fused deposition modeling

圖20 電子束熔絲成形T形試樣Fig.20 T type sample of electron beam fused deposition modeling

4 結論

（1）設計了完整的電子槍結構，包括油冷式金屬鑲嵌陶瓷同軸絕緣子，環氧樹脂澆注高壓傳輸電纜端子，滿足密封性、絕緣性以及大功率傳輸需求；結合熔絲金屬蒸氣大、長時間工作陽極溫度高的使用環境，設計了獨特的電子槍結構，把束流通道和抽真空氣流通道分隔開并增加了陽極水冷系統，大大延長了電子槍陰陽極的使用壽命。

（2）結合電子槍使用環境，設計了聚焦線圈、偏轉線圈以及配套的驅動系統。經測試，聚焦線圈電流0～1.49 A 連續穩定可調，電子槍束流聚焦效果好，穿透力強；方波信號偏轉掃描線圈驅動電路輸出最大電流峰-峰值達到了2.12 A，三角波波偏轉掃描線圈驅動電路輸出電流峰-峰值達到2 A，掃描頻率2 kHz時，線圈中電流能夠快速穩定變化。

（3）經測試，電子槍耐壓達-75 kV以上，工作電壓-60 kV 時束流輸出達611 mA，功率大于30 kW；電子槍束流品質好，可穿透60 mm 厚TC4 板材，熔池深寬比達到10∶1；成形效率高，TC4 的熔絲成形速度達到5.16 kg/h，能夠滿足大型金屬結構件快速制造的需求。