一种新型低造价低压电子束焊接机中的真空控制系统

  摘要：新型低压电子束焊接加工技术具有凹型阴极、自聚焦和低造价的突出特点，不再需要高真空系统，也无需磁透镜和磁线圈进行电子束的聚焦和偏转，可进行微零件焊接和低熔点材料表面微结构改性。但这种新型技术对氩气工作气压的要求比较高，需要在7~12Pa的低真空范围实现高精度的调节和控制。本文针对此高精度控制提出了解决方案，即在电容真空计作为传感器的基础上，采用了电动针阀和超高精度压力控制器，控制精度可达±1%。

  电子束焊是指利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊接面，使被焊工件熔化实现焊接。目前，电子束焊通常分为高真空、低真空和非真空三种类型，但无论是哪种类型，电子束都需要在高真空条件下产生，且还需要磁透镜和磁线圈系统用于聚焦和偏转电子束，这使得高真空装置是电子束焊接设备中的重要且高成本的部件。

  最近，波兰研究人员Aleksander Zawada和Piotr Konarski介绍了一种真正低压环境且无需磁透镜和磁线]，这种新的低压电子束焊接技术具有以下特点：

  （1）采用凹形阴极作为电子束源，直接在氩气环境中产生并聚焦电子束。工作气体的存在和伴随辉光放电的发生允许表面电荷中和，这使得电子束可以直接轰击绝缘材料。

  （2）可直接采用微波炉用变压器，电压输出为1~3kV，就能建立一个以凹形阴极作为电子源的低压电子束加工装置。

  （3）阴极和阳极之间的间隙约为25mm，氩气气体绝对压力可在0.05~0.09Torr范围内调节，采用机械泵就可在此真空度范围内能够得到了稳定的辉光放电进行焊接和加工。通过改变阴极电压以及选择正真适合的真空度，实现电子束电流的调节，以满足多种工具加工和焊接需要。

  （4）利用凹面阴极可直接获得直径1~3mm的聚焦点。虽然与很多高端的电子束加工设施相比，它的尺寸似乎太大，但它可用于微零件焊接和表面改性。

  （5）由于采用微波炉小功率电源和旋片泵，使得整个装置结构相对比较简单和非常便宜，同时可用于微零件焊接和低熔点材料表面微结构改性，如不锈钢、铜、铝、氧化铝、氧化硅和玻璃等材料。如果加大功率，可实现更大功率的电子束焊机。

  从上述这种真正低压电子束焊接加工技术的特点中能够准确的看出，这种技术对真空度的要求很高，需要在很窄的气压范围内（约5Pa）进行调节以满足多种的焊接加工要求，而相关文献也未涉及气压精密控制的详细的细节内容。为此，本文将针对此问题提出对应的具体解决方案。

  波兰学者提出的新型低压电子束焊接加工装置结构如图1所示[1,2]，其线升的体积。真空系统包括了真空计、机械泵和泄漏阀三部分，进气用了高压氩气气瓶，还配备了一个气阀用来加工完成后导入空气打开腔门。

  从图1所示结构能够准确的看出，所进行的真空度控制应该还是手动调节方式，即固定机械泵抽速（一般是全开状态），然后通过调节泄漏阀的开度来达到不一样的真空度，但这种手动控制方式很难保证真空度控制的准确性和稳定能力，完全不能按照设计好的不同设定值对真空度进行控制。

  为此，本解决方案的目的是进行真空度控制的自动化改造，改造方案的具体结构如图2所示。解决方案是在原有的电容真空计基础上，增加了电动针阀和高精度的真空压力PID控制器，由真空计、电动针阀和真空压力控制器组成一个典型的闭环控制管理系统。其中各个部件的详细的细节内容如下。

  方案中选择1Torr量程的薄膜电容线Torr工作所承受的压力范围，这种电容线%的高精度。

  除了高精度之外，这种电容真空计还具有线V直流电压信号输出，即真空度测量值与输出电压值呈线性关系，这非常有利于数据采集和处理，更能保证控制的准确性。

  对于0.05~0.09Torr的工作所承受的压力范围，尽管在理论上也可以再一次进行选择0.1Torr量程的真空计，但实际真空度控制范围已接近线Torr附近的真空度较难控制，实际真空度稍微过冲就超出真空计量程，这非常容易导致线 电动针阀

  解决方案是采用电动针阀代替图1中的泄漏阀。电动针阀是一种步进电机驱动的针型阀，阀门位移分辨率可达到12.7um，并具有很小的线V模拟电压进行调节，很适合真空度控制过程中的进气流量调节。

  对于低压电子束焊接加工装置的真空度控制而言，另一项关键技术就是要解决超高精度的PID控制问题。如在选择1Torr真空计时，对应的电压输出为0~10V，那在实际测量0.05Torr真空度过程中所对应的电压输出则为0.5V。如果要达到±1%的控制精度，则需要PID线mV的测量精度，这是目前绝大多数工业用真空度控制器无法达到的精度要求。

  为了在0.05~0.09Torr范围内实现±1%的真空度控制精度，解决方案选用了VPC 2021系列超高精度真空压力控制器。此控制器的主要特征如下：

  在波兰学者提出的低造价低压电子束焊接和加工新技术基础上，本文对此新技术中未涉及到的真空度精密控制技术进行了分析，并提出了实现真空度高精度控制的解决方案。解决方案以及所涉及到的电动针阀和超高精度PID真空压力控制器，经过了大量试验验证考核，并已经在多个领域内得到了广泛应用，技术成熟度很高，可为这种新型电子束焊接和加工技术的推广应用提供有效的技术保障。