● 摘要
电子束焊接以高能量密度、高熔透性、焊接变形区小、能焊接难熔及异种金属等优点在航空航天领域发挥着不可替代的作用，同时电子束焊接在汽车工业、高速铁路、核能和电子工业等领域发挥着重要作用。随着航空航天领域对焊接成形和焊接质量的不断提高，传统的连续束流电子束焊接暴露出某些不足，如焊接薄壁零件时，易烧穿工件，容易产生变形；厚板焊接时，因电子束能量输入大，焊接过程将产生大量的金属蒸气，电子束轰击工件的路途中会与金属蒸气和二次发射的粒子碰撞，造成电子束功率密度的下降，影响了电子束的穿透深度等。研究表明：在平均输入功率相同的情况下，脉冲电子束焊接比传统的连续束流电子束焊接的穿透深度要大30%～50%，能够有效解决上述问题。而脉冲电子束焊接作为一种非常值得研究开发的先进的电子束焊接技术，并未受到焊接界足够的重视，目前国内外对该方面的研究工作还很缺乏，针对上述问题，本文展开脉冲电子束焊接关键技术及工艺适用性研究。脉冲电子束焊接是指将电子束流调制成脉冲形式进行焊接的新型电子束焊接技术，进行脉冲电子束焊接的前提是实现脉冲束流输出和脉冲束流的精确控制，根据电子束流与栅偏电压的关系可知，脉冲束流的输出和精确控制需要实现脉冲偏压输出和脉冲偏压的精确控制，而脉冲偏压的控制涉及到高达几十到上百千伏的高压电源的控制技术，难度很大。本文提出一种能够实现脉冲束流精确控制的主电路拓扑，结合DSP数字控制技术、人机交互技术、专用PWM控制芯片和功率模块驱动保护技术等，研制出一台脉冲电子束焊接逆变电源，该电源既能够实现常规直流电子束焊接，又能够实现脉冲电子束焊接（包括低频脉冲电子束焊接和高频脉冲电子束焊接）。电源具体参数为：加速电压0-60kV连续可调，阴极加热电流0-30A连续可调，脉冲束流能够实现频率0-40kHz，占空比0-100%，基值0-100mA和峰值0-200mA连续可调。利用研发的脉冲电子束焊接逆变电源针对奥氏体不锈钢进行了一系列脉冲电子束焊接适用性研究，得到了脉冲束流参数对焊缝形貌的影响规律和对薄板成形的影响规律。通过对高强铝合金和钛合金的脉冲电子束焊接适用性研究初步掌握了脉冲束流参数对高强铝合金和钛合金焊缝组织和接头力学性能的影响规律。结果表明，脉冲电子束焊接可明显改善高强铝合金焊缝形貌和减少焊接气孔，显著提高高强铝合金和钛合金的接头质量。在综合考虑了熔池和匙孔中能量吸收与再分布效应的基础上，提出了高斯面热源和改进型圆锥热源组合的新型热源，建立了奥氏体不锈钢脉冲电子束焊接温度场三维有限元数值计算模型，通过对比分析不同脉冲束流参数下的热循环曲线，揭示了脉冲电子束焊接温度场的特征。本文成功研发出了一台能够实现高频脉冲焊接的脉冲电子束焊接逆变电源，建立了一套脉冲电子束焊接平台，填补了国内外在这一领域内的空白。