[发明专利]一种低电压高束流电子束真空焊接装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种真空焊接装置及方法，具体涉及一种低电压高束流电子束真空焊接装置及方法，属于焊接领域。

背景技术

真空环境由于有害气体的含量极少，被认为是一种较为理想的熔池保护方式。吴林,冯吉才,高洪明,等.空间焊接技术[J].航空制造技术,2005,5:32-35.认为随着国际太空领域研究的快速发展，空间站的修复和焊接的材料连接技术需求不断增加，因此，对于真空环境下的熔化焊方法的研究具有重要意义。目前，获得广泛应用的真空保护环境下的焊接方法主要包括：空心阴极真空电弧(Hollow Cathode Vacuum Arc，简称HCVA)焊、电子束焊及激光焊，不同焊接方法具有不同特点。

名称为“ARC WELDING METHOD USING HOLLOW ELECTRODE(日本专利号：2003170273A，申请日：2001年12月05日)”的专利公布了一种空心阴极真空电弧焊枪。Guirao J,Rodriguez E,Bayon A,et al.A study of the influence of electron beam welding sequences on the ITER vacuum vessel prototype VATS.Fusion engineering and design,2011,12,86(12):2805-2811，实现了真空容器的电子束焊接。S Katayama,Y Kobayashi,M Mizutani,et al.Effect of vacuum on penetration and defects in laser welding.Journal of Laser Applications,2001,10,13(5):187-192，研究发现真空环境下的激光焊熔化深度高于大气环境的熔深。

电子束焊接具有能量密度高、生产效率高的特点，但是由于电子束流斑点直径小，对焊接接头装配间隙的精度要求高，电子束焊前准备复杂，由于加速电压高导致这种焊接方法存在运行成本高，存在X射线辐射的不足，由于抽真空导致这种焊接方法的生产效率低。Reisgen U,Schleser M,Abdurakhmanov,et al.Measuring of plasma properties induced by non-vacuum electron beam welding.Physics of plasmas,2012,1,19(1):1-7.采用非真空电子焊方法降低抽真空工序而产生的生产成本，研究了电子束碰撞产生的等离子体特性。

HCVA具有电弧能量集中、真空保护及电弧长度长的特点，HCVA的焊接效率高于惰性气体钨极氩弧焊(GTAW)。但是由于HCVA焊接方法采用电弧作为焊接热源，这种焊接方法的焊接熔化效率低于电子束焊接方法。Nerovnyi V M,Khakhalev A D.Hollow cathode arc discharge as an effective energy source for welding processes in vacuum.J Appl Phys,2008,41:1-8.认为当阴极口区域的电流密度超过450–500A cm-2时，在外部轴向等离子体中出现12-22eV的高能电子，放电能量效率为放电电压0.7-0.86倍，才能够具有高效热源特点。

发明内容

本发明为解决现有电子束焊前准备复杂，且运行成本较高的问题，进而提出一种低电压高束流电子束真空焊接装置及方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括空心阴极、阳极、加速电极、轴向约束磁场、聚焦机构、放电电源、加速电源、真空室、焊接平台和绝缘套，轴向约束磁场、绝缘套、加速电极、聚焦机构、焊接平台由上至下依次设置在真空室内，空心阴极插装在轴向约束磁场内，阳极设置在空心阴极与加速电极之间，且阳极位于空心阴极的正下方，工件放置在工作平台上，放电电源的负极与空心阴极连接，放电电源的正极和加速电源的负极与阳极连接，加速电源与加速电极连接。

本发明所述方法的具体步骤如下：

步骤一、通过真空抽气机构将真空室内的空气抽出；

步骤二、将工作气体注入空心阴极内，空气阴极、阳极、放电电源组成电弧放电回路，并获得电子枪所需高密度电弧等离子体；

步骤三、轴向约束磁场约束带电粒子运动轨迹，获得压缩真空电弧等离子体；

步骤四、阳极、加速电极、加速电源组成电子引出系统，阳极作为电子引出系统的阴极；