脉冲激光加热阴极电子枪、选区熔化装置和束流调控方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及电子束选区熔化设备领域，提供了脉冲激光加热阴极电子枪、选区熔化装置和束流调控方法。脉冲激光加热阴极电子枪，包括：激光头、顶盖、壳体、束流导引件、以及设置于所述壳体内绝缘子、第一导电环、第二导电环、阴极、偏压杯、阳极和线圈组件。电子束选区熔化装置，包括激光头位置调控机构、测温单元、真空装置、真空室、高压电源、激光器、控制系统以及上述脉冲激光加热阴极电子枪；束流调控方法，红外测温探头检测的阴极温度作为反馈量，使激光加热阴极形成闭环控制，可实现阴极温度可控调节。本申请提供的装置能够满足大型复杂精密金属构件电子束选区熔化增材制造对电子枪阴极长寿命的需求，降低高压电源设计难度，提高装置整体性能。整体性能。整体性能。

【技术实现步骤摘要】
脉冲激光加热阴极电子枪、选区熔化装置和束流调控方法


[0001]本专利技术涉及电子束选区熔化设备领域，具体而言，涉及脉冲激光加热阴极电子枪、选区熔化装置和束流调控方法。

技术介绍

[0002]电子束选区熔化增材制造技术可节约2/3以上材料，经济效益显著，因此，美国波音、意大利AVIO及英、俄等公司均采用电子束选区熔化增材制造技术研制航空发动机叶片、火箭发动机喷嘴、运载火箭支撑座等多种复杂结构高性能零件；此外，在医疗领域，采用电子束选区熔化增材制造技术研制的骨植物如钛合金臼杯、椎间盘融合器也得到了广泛应用。
[0003]电子束选区熔化增材制造技术的优势在于制造周期短，满足单件个性化定制需求；尤其适用于大型薄壁件、耐高温难熔金属、结构复杂零件的制造。除了在航空航天、医疗领域得到了应用，在石油化工、汽车工业、核工业、海洋船舶等领域，也具有广阔应用前景，在某些场合具有不可替代的优越性，潜在巨大经济效益。
[0004]然而常用电子束选区熔化增材制造技术均是采用电流加热阴极发射电子的电子枪装置，通常是直热式三极电子枪结构，用电流直接加热阴极，电流需要达到数十安，提供该电流电源的负输出端需要与电子束的加速电源的输出端处于同电位，使得该电源的设计制造技术难度较大；且在于阴极连接电路上对其加热电流进行检测十分困难，通常在隔离变压器原边对阴极加热电流进行间接采样，无法准确反映阴极工作状态。
[0005]灯丝长期大电流加热，容易变形，且受粒子轰击，灯丝损耗大，这将影响到束流品质和阴极使用寿命，难以满足电子束选区熔化增材制造技术对电子束源长期稳定工作的需求。
[0006]而激光加热阴极使阴极所处的热发射状态，通常通过模拟仿真，或通过大量试验获取经验参数，实现起来难度大，且不宜操控，大规模推广十分困难。
[0007]鉴于此，特提出本申请。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的包括，提供了一种脉冲激光加热阴极电子枪、选区熔化装置和束流调控方法，旨在改善
技术介绍
提到的至少一种问题。
[0009]本专利技术的实施例可以这样实现：
[0010]第一方面，本专利技术提供一种脉冲激光加热阴极电子枪，包括：激光头、顶盖、壳体、束流导引件、以及设置于壳体内绝缘子、第一导电环、第二导电环、阴极、偏压杯、阳极和线圈组件；
[0011]顶盖盖设在壳体的顶部；绝缘子设置于壳体内，位于壳体的上部，且其顶端穿透顶盖，绝缘子的中部具有激光束通道，激光束通道由绝缘子的顶端一直延伸至其底端，激光束通道内对应绝缘子的顶部位置设置有透明窗口；
[0012]第一导电环和第二导电环均部分嵌入绝缘子内且与激光束通道同轴设置，第一导电环的半径大于第二导电环，第一导电环的底部伸出绝缘子，第二导电环的底部伸出绝缘子；绝缘子内埋设有第一高压电线和第二高压电线，第一高压电线的一端与第一导电环连接，另一端伸出壳体之外；第二高压电线的一端与第二导电环连接，另一端伸出壳体之外；
[0013]阴极设置于第二导电环的底端，激光头位于顶盖上方透过透明窗口朝向阴极；
[0014]偏压杯具有位于上部的第一腔体，第一导电环和第二导电环伸出绝缘子的部分、以及阴极均位于第一腔体内；
[0015]束流导引件设置于壳体的底部，束流导引件具有束流通道，线圈组件套设在束流通道外；阳极设置于束流导引件和线圈组件的上方，且位于偏压杯的下方；偏压杯还具有位于下部的第二腔体，第二腔体朝向阳极；偏压杯上设置有连通第一腔体和第二腔体的第一束流通孔，阳极设置有第二束流通孔，阴极、第一束流通孔、第二束流通孔以及束流通道同轴设置；
[0016]壳体的侧壁设置有抽真空装置接口。
[0017]在可选的实施方式中，电子枪还包括隔板，隔板设置在阳极和束流导引件之间，隔板上设置有与第二束流通孔连通的第三束流通孔；束流导引件和线圈组件均设置在隔板下方；
[0018]偏压杯对应第一腔体的侧壁设置有多个第一衡压孔，每个第一衡压孔用于连通第一腔体和壳体与隔板围成的空间；第二导电环伸出绝缘子的部分的侧壁设置有多个第二衡压孔，每个第二衡压孔用于连通激光束通道和第一腔体；隔板上设置有多个第三衡压孔，每个第三衡压孔用于连通隔板上下的空间。
[0019]在可选的实施方式中，绝缘子对应激光束通道的内壁设置有凸环和第一内螺纹，第一内螺纹位于凸环上方，激光束通道内配合第一内螺纹设置有具有外螺纹的透明窗口紧固卡环，透明窗口紧固卡环被夹设在凸环和透明窗口紧固卡环之间；
[0020]优选地，绝缘子的顶部伸出顶盖，绝缘子伸出顶盖的部分的外壁通过螺纹连接有第一绝缘子紧固环。在可选的实施方式中，阴极包括碗状的不锈钢托，不锈钢托对应碗口的开口朝向远离阳极的方向；不锈钢托的底部靠近阳极的一侧设置有钨块或六硼化镧块，不锈钢托的外径等于第二导电环的内径。
[0021]在可选的实施方式中，电子枪还包括阴极紧固环，第二导电环的底部外壁设置有外螺纹，阴极紧固环具有与第二导电环的底端匹配的环形安装槽，环形安装槽的槽壁设置有与外螺纹匹配的内螺纹，阴极紧固环通过螺纹配合安装到第二导电环的底端后，阴极紧固环的内侧边缘实现对不锈钢托的限位。
[0022]在可选的实施方式中，绝缘子具有连接外缘，壳体的上部具有阶梯结构，连接外缘挂设在阶梯结构上，壳体的内壁对应阶梯结构的上方的位置设置有内螺纹，壳体的内壁上配合内螺纹设置有具有外螺纹的第二绝缘子紧固环，连接外缘被第二绝缘子紧固环夹设在和阶梯结构之间；优选地，绝缘子内开设有环形腔体，环形腔体围绕激光束通道设置，环形腔体与连接外缘之上的空间连通形成冷却腔，冷却腔内填充冷却绝缘油。
[0023]在可选的实施方式中，线圈组件包括由上至下依次设置的动态聚焦线圈、主聚焦线圈以及高频扫描线圈。
[0024]第二方面，本专利技术提供一种电子束选区熔化装置，包括激光头位置调控机构、测温
单元、第一抽真空装置、真空室、第二抽真空装置、高压电源、激光器、控制系统以及如前述实施方式任一项的脉冲激光加热阴极电子枪；
[0025]激光头与激光头位置调控机构连接，激光头位置调控机构与控制系统通信连接；
[0026]激光头与激光器通过光纤连接，激光器与控制系统通信连接；
[0027]测温单元包括测温探头，测温探头设置于顶盖上方用于探测阴极的温度，测温单元与控制系统通信连接；
[0028]高压电源与第一高压电线和第二高压电线连接，高压电源与控制系统通信连接；
[0029]第一抽真空装置与抽真空装置接口连通，第一抽真空装置与控制系统通信连接；
[0030]真空室位于电子枪的下方，真空室与第二抽真空装置连通，第二抽真空装置与控制系统通信连接。
[0031]在可选的实施方式中，控制系统内置束流调控程序，束流调控程序具有如步骤一～步骤十六的控制逻辑：
[0032]步骤一：调整激光头与透明窗口上表面之间的距离为L0，使激光焦点处于预设位置；保证测温探头能够监测到阴极的温度；
[0033]步骤二：控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种脉冲激光加热阴极电子枪，其特征在于，包括：激光头、顶盖、壳体、束流导引件、以及设置于所述壳体内绝缘子、第一导电环、第二导电环、阴极、偏压杯、阳极和线圈组件；所述顶盖盖设在所述壳体的顶部；所述绝缘子设置于所述壳体内，位于所述壳体的上部，且其顶端穿透所述顶盖，所述绝缘子的中部具有激光束通道，所述激光束通道由所述绝缘子的顶端一直延伸至其底端，所述激光束通道内对应所述绝缘子的顶部位置设置有透明窗口；所述第一导电环和所述第二导电环均部分嵌入所述绝缘子内且与所述激光束通道同轴设置，所述第一导电环的半径大于所述第二导电环，所述第一导电环的底部伸出所述绝缘子，所述第二导电环的底部伸出所述绝缘子；所述绝缘子内埋设有第一高压电线和第二高压电线，所述第一高压电线的一端与所述第一导电环连接，另一端伸出所述壳体之外；所述第二高压电线的一端与所述第二导电环连接，另一端伸出所述壳体之外；所述阴极设置于所述第二导电环的底端，所述激光头位于所述顶盖上方透过所述透明窗口朝向所述阴极；所述偏压杯具有位于上部的第一腔体，所述第一导电环和所述第二导电环伸出所述绝缘子的部分、以及所述阴极均位于所述第一腔体内；所述束流导引件设置于所述壳体的底部，所述束流导引件具有束流通道，所述线圈组件套设在所述束流通道外；所述阳极设置于所述束流导引件和所述线圈组件的上方，且位于所述偏压杯的下方；所述偏压杯还具有位于下部的第二腔体，所述第二腔体朝向所述阳极；所述偏压杯上设置有连通所述第一腔体和所述第二腔体的第一束流通孔，所述阳极设置有第二束流通孔，所述阴极、所述第一束流通孔、所述第二束流通孔以及所述束流通道同轴设置；所述壳体的侧壁设置有抽真空装置接口。2.根据权利要求1所述的脉冲激光加热阴极电子枪，其特征在于，所述电子枪还包括隔板，所述隔板设置在所述阳极和所述束流导引件之间，所述隔板上设置有与所述第二束流通孔连通的第三束流通孔；所述束流导引件和所述线圈组件均设置在所述隔板下方；所述偏压杯对应所述第一腔体的侧壁设置有多个第一衡压孔，每个所述第一衡压孔用于连通所述第一腔体和所述壳体与所述隔板围成的空间；所述第二导电环伸出所述绝缘子的部分的侧壁设置有多个第二衡压孔，每个所述第二衡压孔用于连通所述激光束通道和所述第一腔体；所述隔板上设置有多个第三衡压孔，每个所述第三衡压孔用于连通所述隔板上下的空间。3.根据权利要求1所述的脉冲激光加热阴极电子枪，其特征在于，所述绝缘子对应所述激光束通道的内壁设置有凸环和第一内螺纹，所述第一内螺纹位于所述凸环上方，所述激光束通道内配合所述第一内螺纹设置有具有外螺纹的透明窗口紧固卡环，所述透明窗口紧固卡环被夹设在所述凸环和所述透明窗口紧固卡环之间；优选地，所述绝缘子的顶部伸出所述顶盖，所述绝缘子伸出所述顶盖的部分的外壁通过螺纹连接有第一绝缘子紧固环。4.根据权利要求1所述的脉冲激光加热阴极电子枪，其特征在于，所述阴极包括碗状的不锈钢托，所述不锈钢托对应碗口的开口朝向远离所述阳极的方向；所述不锈钢托的底部
靠近所述阳极的一侧设置有钨块或六硼化镧块，所述不锈钢托的外径等于所述第二导电环的内径。5.根据权利要求4所述的脉冲激光加热阴极电子枪，其特征在于，所述电子枪还包括阴极紧固环，所述第二导电环的底部外壁设置有外螺纹，所述阴极紧固环具有与所述第二导电环的底端匹配的环形安装槽，所述环形安装槽的槽壁设置有与所述外螺纹匹配的内螺纹，所述阴极紧固环通过螺纹配合安装到所述第二导电环的底端后，所述阴极紧固环的内侧边缘实现对所述不锈钢托的限位。6.根据权利要求1所述的脉冲激光加热阴极电子枪，其特征在于，所述绝缘子具有连接外缘，所述壳体的上部具有阶梯结构，所述连接外缘挂设在所述阶梯结构上，所述壳体的内壁对应所述阶梯结构的上方的位置设置有内螺纹，所述壳体的内壁上配合所述内螺纹设置有具有外螺纹的第二绝缘子紧固环，所述连接外缘被所述第二绝缘子紧固环夹设在和所述阶梯结构之间；优选地，所述绝缘子内开设有环形腔体，所述环形腔体围绕所述激光束通道设置，所述环形腔体与所述连接外缘之上的空间连通形成冷却腔，所述冷却腔内填充冷却绝缘油。7.根据权利要求1所述的脉冲激光加热阴极电子枪，其特征在于，所述线圈组件包括由上至下依次设置的动态聚焦线圈、主聚焦线圈以及高频扫描线圈。8.一种电子束选区熔化装置，其特征在于，包括激光头位置调控机构、测温单元、第一抽真空装置、真空室、第二抽真空装置、高压电源、激光器、控制系统以及如权利要求1～7任一项所述的脉冲激光加热阴极电子枪；所述激光头与所述激光头位置调控机构连接，所述激光头位置调控机构与所述控制系统通信连接；所述激光头与所述激光器通过光纤连接，所述激光器与所述控制系统通信连接；所述测温单元包括测温探头，所述测温探头设置于所述顶盖上方用于探测所述阴极的温度，所述测温单元与所述控制系统通信连接；所述高压电源与所述第一高压电线和所述第二高压电线连接，所述高压电源与所述控制系统通信连接；所述第一抽真空装置与所述抽真空装置接口连通，所述第一抽真空装置与所述控制系统通信连接；所述真空室位于所述电子枪的下方，所述真空室与所述第二抽真空装置连通，所述第二抽真空装置与所述控制系统通信连接。9.根据权利要求8所述的电子束选区熔化装置，其特征在于，所述控制系统内置束流调控程序，所述束流调控程序具有如步骤一～步骤十六的控制逻辑：步骤一：调整激光头与透明窗口上表面之间的距离为L0，使激光焦点处于预设位置；保证测温探头能够监测到阴极的温度；步骤二：所述控制系统分别控制所述第一抽真空装置和所述第二抽真空装置对所述电子枪和所述真空室进行抽真空操作；当检测所述真空室和所述电子枪的真空度达到预设值时停止抽真空，然后进行步骤三，反之则继续进行所述抽真空操作；步骤三：所述控制系统向所述高压电源发出指令，使施加在所述第一导电环的偏压U
b
处
于最大值，使施加在所述第二导电环的加速电压U
hv
达到设定值；步骤四：所述控制系统向所述激光器发出指令进行加热操作：使所述激光器发射出预设功率W0、频率f0、脉冲宽度为D0的脉冲激光，当连续t1(0<t1≤10s)时间内，所述测温探头检测到所述阴极温度达到预设电子热发射温度T0时，则执行步骤六；否则，令n1＝0，W
out
＝W0，执行步骤五；步骤五：所述控制系统向所述激光器发出指令进行输出功率调整操作：令n2＝n1+1；增加所述输出功率，使其达到W
out
＝W0+n2×
(W
e
/100)，W
e
为所述激光器的额定功率；当连续t2(0<t2≤10s)时间内，所述测温探头检测到所述阴极温度达到预设的电子热发射温度T0时，则执行步骤六；否则检测W
out
＜W
e
是否成立，如成立，令n1＝n2，则跳转至继续循环执行所述输出功率调整操作，循环过程n2逐渐增大；否则，输出报警信号N1，跳转至步骤十五；步骤六：在所述控制系统未设置束流给定I
bg
的情况下，检测到束流反馈值I
bf
≠0，则表明发生漏束流现象，令n3＝0，执行步骤七；否则跳转至步骤八；步骤七：所述控制系统向所述激光头位置调控机构下发指令，进行激光焦点位置朝增大方向调节操作：令n4＝n3+1，将激光焦点的位置设置为L
out
＝L0+n4×
(ΔL/20)，ΔL为试验获取的最佳调整距离；在连续t3(0<t3≤2s)内检测I
bf
≠0，且L
out
＜L0+ΔL是否成立，如成立，令n3＝n4，则跳转至继续循环执行所述激光焦点位置朝增大方向调节操作，循环过程n4逐渐增大；否则检测I
bf
＝0是否成立，若成立，则跳转至步骤八；若检测到L
out
≥L0+ΔL成立，则控制系统输出报警信号N2，跳转至步骤十五；步骤八：所述控制系统根据给定的束流I
bg
，以及检测到的束流反馈值I
bf
，经过PID调节，计算出偏压给定值U
bg
，输入到所述高压电源中，所述高压电源调整施加在所述第一导电环的偏压，使所述电子枪束流输出与给定I
bg
一致；步骤九：设置所述激光器连续输出脉冲激光，阴极加热温度超过设定温度20℃～50℃后，关闭激光器，关闭时间T1后重新开启，所述控制系统记录关闭时刻的输出功率W
out
；T1＝α(βΔT/(f0×
W
out
))，其中α、β是通过试验获取的经验参数，ΔT是指在与T1相同的时间内偏压给定值U
bg
不变时，阴极温度增加ΔT；步骤十：所述激光器关闭时间T1结束后，所述控制系统按照所述激光器关闭时刻激光器的输出功率W
out
重启所述激光器，激光的频率f0、脉冲宽度为D0保持不变，继续加热所述阴极，以便维持束流稳定持续输出；步骤十一：当给定的束流I
bg
变换时，跳转至步骤十二；当给定束流I
bg
不变时，检测是否有停止信号，没有，则重复步骤八～步骤十一，否则跳转至步骤十六；步骤十二：所述控制系统在连续t4(0<t4≤2s)内重复调用步骤八，如果I
bg
≤I
bf
，则重复步骤八～步骤十一；如果I
bg
＞I
bf
，令n5＝0，执行步骤十三；步骤十三：所述控制系统向所述激光器发出指令进行增加激光器的输出功率操作：令n6＝n5+1；使其达到W
out
＝W0+n6×
(W
e
/1...

【专利技术属性】
技术研发人员：房卫萍，桑兴华，许海鹰，易耀勇，
申请(专利权)人：广东省科学院中乌焊接研究所，
类型：发明
国别省市：