（中國航空制造技術(shù)研究院高能束流加工技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024）

電子束焊接具有能量密度高、加熱面積小、焊接速度快、焊縫熱影響區(qū)窄、工件變形小等優(yōu)點(diǎn)，因此電子束焊接已得到廣泛應(yīng)用[1]。按照陰極加熱方式不同，電子束焊接設(shè)備的核心部件電子槍可分為直熱式和間熱式兩種，目前應(yīng)用比較廣泛的電子槍主要是直熱式。在直熱式電子槍中，對束流起匯聚作用的包括靜電匯聚和電磁聚焦兩部分。靜電部分由陰極、柵極和陽極組成，通常稱為靜電透鏡[2]。當(dāng)電子槍的陰極被加熱時，就會產(chǎn)生大量的電子。自由電子從陰極表面發(fā)射出來時有較大的發(fā)射角度，并且由于電子之間存在互相排斥的力，不利于電子加速和進(jìn)一步聚焦[3]，此時陰極、柵極和陽極組成的靜電透鏡發(fā)揮作用，對電子進(jìn)行第一次聚焦。在電子槍其他參數(shù)不變的情況下，改變初次匯聚靜電場，電子束初次匯聚焦點(diǎn)處電流密度也隨之變化，這將導(dǎo)致在最終工作焦點(diǎn)處束流電流密度也隨之變化，從而影響束流品質(zhì)。因此，電子槍束源部分零件結(jié)構(gòu)直接影響電子槍的性能[4]。由于用于焊接的電子槍與其他用途電子槍幾何結(jié)構(gòu)差別較大，而有關(guān)電子槍的計算方法、選用公式還沒有一套完整、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),“類比”設(shè)計和試驗(yàn)測定是檢驗(yàn)理論和最后定型的普遍方法[3,5]，但此種方法計算復(fù)雜，周期較長，難以適應(yīng)目前電子槍技術(shù) 的發(fā)展。針對直熱式電子槍中靜電場以及電子運(yùn)動軌跡難以用常規(guī)方法直接測量的問題，本文用CST軟件進(jìn)行模擬仿真來解決。首先利用建模軟件建立1∶1三維模型，將模型導(dǎo)入仿真軟件，在機(jī)械設(shè)計允許的范圍內(nèi)，按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取束源部件結(jié)構(gòu)尺寸分別做單一變量進(jìn)行模擬。結(jié)合數(shù)據(jù)，對數(shù)源部件尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)過實(shí)際焊接試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了模擬結(jié)果的正確性。

仿真模型及參數(shù)設(shè)置

模擬仿真在電子槍設(shè)計和優(yōu)化中起著非常重要的作用[6]，這種方法既可以節(jié)省實(shí)際試驗(yàn)的成本，又可以節(jié)約設(shè)計時間。本文所用的模擬軟件為CSTParticleStudio[7],是專門用于分析自由帶電粒子與電磁場自洽相互作用下相對論及非相對論運(yùn)動的仿真[8-10]軟件包，特別適合于快速有效地設(shè)計和分析電子槍結(jié)構(gòu)。

1 三維模型的建立

利用三維造型軟件Pro/E,根據(jù)中國航空制造技術(shù)研究院自主研制的直熱式Q60-A電子槍建立束源部分關(guān)鍵部件模型：燈絲（陰極）、柵極、陽極以及聚焦線圈三維模型分別如圖1所示。

把上述模型導(dǎo)入CST軟件中，并按照實(shí)際尺寸放置以上部件，如圖2所示。燈絲、柵極、陽極、聚焦線圈沿電子束軸線位置從上到下依次放置。燈絲置于柵極中心開孔處，電子發(fā)射面與柵極中心開孔處頂面平行，陽極頂面與燈絲電子發(fā)射面距離為可變參數(shù)，聚焦線圈頂面距離燈絲電子發(fā)射面距離為H。

2 仿真基本參數(shù)設(shè)置

設(shè)置燈絲、陽極、柵極材料為理想導(dǎo)電導(dǎo)磁型材料PEC。設(shè)置background為真空，各向同性50mm，由于束流最終聚焦位置距離聚焦線圈較遠(yuǎn)，設(shè)置背景空間軸向最小值ymin=300mm。設(shè)置線圈匝數(shù)2000匝，聚焦電流0.6A。設(shè)置電勢、燈絲 -60000V，柵極 -60100V，陽極0V。定義邊界條件，y向磁場分量為0，由于在建立電子槍模型時未對其進(jìn)行其他屏蔽，Xmin、Xmax、Zmin、Zmax的邊界條件均設(shè)為open狀態(tài)[11]。網(wǎng)格劃分采用CAD設(shè)計中常用的自動網(wǎng)格劃分和手動對局部網(wǎng)格進(jìn)行加密的方法，劃分形式FPBA。重點(diǎn)要加密部分為陰極、柵極和陽極附近的網(wǎng)格。定義粒子源，發(fā)射類型為溫度限制發(fā)射，陰極材料為鎢絲，燈絲加熱溫度設(shè)置為2700K，鎢逸出功4.54eV。由于模擬過程耗時較長，為了減少仿真時間，故設(shè)置發(fā)射電子數(shù)90個。本文設(shè)置的可變參數(shù)陰陽極距離d、陽極孔徑r、柵極球面半徑R如圖3所示，在保證其他所有參數(shù)（如燈絲發(fā)射面積、柵極孔徑等）不變的情況下進(jìn)行模擬，每次控制單一變量。

模擬仿真結(jié)果

1 陰陽極距離為單一變量仿真結(jié)果

圖1 束源部分零件及聚焦線圈三維模型圖Fig.1 3D model of beam source component and focusing coil

圖2 模型放置示意圖Fig.2 Model placement

圖3 所選變量參數(shù)Fig.3 Selected parameters

圖4 模擬結(jié)果Fig.4 Simulation result

保持其余參數(shù)不變，以陰陽極距離d作為單一變量進(jìn)行第一組模擬試驗(yàn)，根據(jù)以往試驗(yàn)記錄發(fā)現(xiàn)d＜15mm時會導(dǎo)致陽極和柵極距離過近，易引起放電現(xiàn)象，d＞20mm時會影響陽極下方部件的安裝，故d取 15mm、16mm、17mm、18mm、19mm、20mm，6組 數(shù) 據(jù)，r=8mm，R=25mm。任意取其中一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，此處以R=25mm，r=8mm，d=16mm為例得出完整的束流軌跡，如圖4（a）所示，陰陽極靜電匯聚束流注腰位置如圖4（b）所示，陰陽極之間靜電場分布如圖4（c）所示，此靜電場等電位線圖如圖4（d）所示。設(shè)燈絲電子發(fā)射面為原點(diǎn)，中心軸線上各點(diǎn)到此發(fā)射面的距離為L，則此數(shù)據(jù)下電流密度與L關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5中X軸0點(diǎn)處為燈絲發(fā)射面?？梢钥闯?，在0～-650mm范圍內(nèi)，束流電流密度有先增大后減小再增大最后減小的趨勢，這是由于剛發(fā)射出的電子會受到靜電場的匯聚作用，所以電流密度增大，在通過陽極孔后某一位置束流匯聚成一個點(diǎn)，也就是注腰位置，此處電流密度達(dá)到最大。此后由于沒有加速電場，且受到空間電荷及真空室壓力等的影響，電子束以一定的角度發(fā)散飛向聚焦線圈，這個過程中束流電流密度不斷減小，通過聚焦線圈后，經(jīng)過磁場聚焦作用，電子束流又會匯聚成一點(diǎn)，也就是最終工作面處的焦點(diǎn)位置。圖5中焦點(diǎn)位置位于-422.72mm處，通過焦點(diǎn)后的電子束流由于慣性以及受到空間電荷力，呈發(fā)散趨勢，所以最后束流密度有所下降。R=25mm、r=8m,陰陽極距離d取不同值時焦點(diǎn)處電流密度如圖6所示。在d=15～20mm范圍內(nèi)時，陰陽極距離和焦點(diǎn)處電流密度曲線可見，焦點(diǎn)處電流密度隨著陰陽極距離增大，先增大后減小，在16mm處達(dá)到最大值，隨后越來越小。

2 陽極孔徑為單一變量試驗(yàn)結(jié)果

保持其余參數(shù)不變，以陽極孔徑r作為單一變量進(jìn)行第2組模擬試驗(yàn)，r根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取4mm、6mm、8mm、10mm、12mm 這 5組 數(shù) 據(jù)，d=16mm，R=25mm。焦點(diǎn)處電流密度如圖7所示，在r=4～12mm時，陽極孔徑和焦點(diǎn)處電流密度曲線可見，焦點(diǎn)處電流密度隨著陽極孔徑增大呈現(xiàn)接近線性增強(qiáng)的趨勢。

圖5 電流密度與L關(guān)系曲線Fig.5 Curve about current density and L

圖6 電流密度和陰陽極距離關(guān)系曲線Fig.6 Curve about current density and distance of cathode and anode

圖7 電流密度和陽極孔徑關(guān)系曲線Fig.7 Curve about current density and anode aperture

圖8 焦點(diǎn)處電流密度和柵極球面半徑關(guān)系曲線Fig.8 Curve about current density and grid radial

3 柵極球面半徑為單一變量試驗(yàn)結(jié)果

保持其余參數(shù)不變，以柵極球面半徑R作為單一變量進(jìn)行第3組模擬試驗(yàn)，根據(jù)以往試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)R＜20mm時會導(dǎo)致陽極和柵極距離過近，易引起放電，而受到機(jī)械設(shè)計的限制R＞26mm時會影響其他部件，故R取20mm、22mm、24mm、25mm、26mm這5組數(shù)據(jù)，d=16mm，r=8mm。，焦點(diǎn)處電流密度如圖8所示。在R=20～26mm時，柵極球面半徑和焦點(diǎn)處電流密度曲線可見，焦點(diǎn)處電流密度隨著柵極球面半徑的增大先減小后增大，然后趨于平緩，在20mm處達(dá)到最大值。

電子槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及驗(yàn)證試驗(yàn)

1 電子槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)以上模擬結(jié)果，設(shè)計新柵極以及新陽極，柵極球面半徑20mm，陽極孔徑10mm，之所以不選擇模擬的最優(yōu)結(jié)果12mm是因?yàn)樵趯?shí)際焊接試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)12mm陽極孔經(jīng)時，由于陽極孔徑過大，導(dǎo)致金屬蒸氣更容易上升進(jìn)入陰陽極之間，柵極和燈絲污染嚴(yán)重，且易發(fā)生放電現(xiàn)象，故選取10mm作為最終的陽極孔徑設(shè)計尺寸。調(diào)整陰陽極距離至16mm。新設(shè)計的結(jié)構(gòu)與原有結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸對照如表1所示。

新舊陽極實(shí)物分別如圖9（a）和（b）所示，新舊柵極實(shí)物分別如圖10（a）和（b）所示，調(diào)節(jié)陰陽極距離通過制作3個1mm厚陽極墊片把陽極墊高來實(shí)現(xiàn)，保證陰陽極距離為16mm。

表1 新舊束源結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸對比

2 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果，分別將原有的和改進(jìn)后的陽極、柵極裝入Q60A電子槍中，并調(diào)節(jié)陰陽極距離，隨后選用除了聚焦電流以外完全相同的兩組焊接參數(shù)，在20mm厚鋁合金板上進(jìn)行焊接試驗(yàn)。選擇不同聚焦電流是因?yàn)楦淖兞私Y(jié)構(gòu)后焦點(diǎn)位置會發(fā)生變化，試驗(yàn)需要對比各自最佳聚焦?fàn)顟B(tài)下的焊縫質(zhì)量，故需要調(diào)整聚焦電流。焊接參數(shù)如表2所示,聚焦電流原結(jié)構(gòu)為320mA,優(yōu)化后結(jié)構(gòu)為326mA。原有結(jié)構(gòu)焊接所得焊縫編號為1，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)所焊焊縫編號為2。試驗(yàn)所得焊縫截面如圖11所示。

圖9 新舊陽極Fig.9 New and old anodes

圖10 新舊柵極Fig.10 New and old grids

表2 20mm厚鋁合金板焊接試驗(yàn)參數(shù)

表3 20mm鋁合金板焊縫形貌測量數(shù)據(jù)

焊縫形貌測量數(shù)據(jù)如表3所示。

由以上數(shù)據(jù)可得，在焊接參數(shù)相同的條件下，優(yōu)化后的電子槍結(jié)構(gòu)得到的焊縫深寬比大于原有結(jié)構(gòu)所焊焊縫的深寬比，從而證明電子槍束流品質(zhì)得到了優(yōu)化。

圖11 鋁合金焊縫Fig.11 Aluminum alloy weld joints

結(jié)論

（1）通過建立1∶1電子槍束源部分三維模型，并利用CST仿真軟件對束流產(chǎn)生過程進(jìn)行模擬，結(jié)合模擬數(shù)據(jù)分析得到了能改善束流品質(zhì)的束源結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的陽極孔徑為10mm，柵極球面半徑為20mm，陰陽極距離為16mm。

（2）用改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)和原來結(jié)構(gòu)分別在20mm厚鋁合金板上進(jìn)行焊接試驗(yàn)，通過比較焊縫形貌，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)焊接出來的焊縫深寬比2.82大于原有結(jié)構(gòu)所得焊縫深寬比2.03，從而證明了模擬結(jié)果的正確性。

（3）此種模擬方法能夠?yàn)楦纳片F(xiàn)有電子槍束流品質(zhì)以及未來電子槍的設(shè)計提供參考依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)

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