一种大气环境工作的高压电子枪装置及使用方法与流程

1.本发明涉及电子枪技术领域，具体涉及一种大气环境工作的高压电子枪装置及使用方法。


背景技术：

2.近年来，大厚度大型金属焊接结构件在国防工业和民用工业领域的应用日益广泛，通常采用开坡口填丝的弧焊工艺，但是该工艺生产效率低，焊接质量难以大幅提高。为了提高大厚度大型金属焊接结构件的焊接质量，国内外普遍采用真空电子束焊接，目前国外大功率真空电子束焊接的最大焊缝深度达到数百mm以上，焊接质量也得到了大幅提高。真空电子束焊接的飞机框梁结构及起落架、深潜器的耐压壳体等均得到了成功应用。真空电子束焊接的不足之处在于其真空室的体积决定了其焊接零件的最大尺寸；大厚度大型金属结构需要大型真空室，大型真空室所需要的高真空获取设备价格昂贵，操作维护不便，上百立方米的大型真空室从大气氛围抽取到10-2
pa高真空一般需要数小时，并且为真空室抽取到高真空的扩散泵开机需要预热、关机需要冷却，操作过程繁琐。对一些超大型金属结构，将其放入真空室进行电子束焊接，真空获取难度和费用、机械运动控制技术难度等急剧增大，几乎无法实现。
3.因此，国内外尝试采用大功率激光焊接大厚度金属结构件，现有公开报道万瓦激光大气环境焊接最大深度在30mm左右，焊缝深宽比较低，一般不超过10:1，而且激光能量转化效率低，仅有30%左右，辅助设备能耗大，不符合当前节能环保的发展理念；此外大功率激光器的成本也会激增，因此，目前采用大功率激光焊接大厚度金属结构的实际应用价值并不高。
4.为了满足大厚度大型金属焊接结构件的制备需求，国外开发出局部低真空电子束焊接技术，在工件表面设置0.1pa~100pa的局部低真空环境进行电子束焊接，可以摆脱真空室体积对加工零件尺寸的束缚，而且焊接效率和焊接质量也能够得到保障。英国twi开发的局部低真空电子束焊接设备已经用于焊接100mm厚、60m长、750吨重、直径5m的风力发电机基座。但是局部低真空电子束焊接设备需要在电子枪束流输出端口设置一个能够提供0.1pa~100pa局部低真空环境的部件，该部件需要随所焊接大型金属结构位置的形面变化而改变，即不同焊接位置需要不同结构的局部低真空部件，大厚度大型金属结构焊接不同位置需要更换相应的局部低真空部件，设备操作复杂程度增加，人工成本也大幅提高，不利于局部低真空电子束焊接技术向现代工业柔性化生产方向发展。
5.为了摆脱真空室体积对焊接零件尺寸的束缚，德国aachen大学焊接研究所开展了非真空电子束焊接技术研究，焊接速度可以达到25m/min，但是电子束受到大气环境中各种粒子的碰撞以及自身的空间电荷效应影响，容易导致电子束严重发散，电子枪的工作距离限制在40mm左右，焊缝深宽比最大也仅有5:1，一般用于焊接薄壁零件，在汽车制造行业应用较为广泛，传统的非真空电子束焊接技术难以适应大厚度大型金属结构的焊接。


技术实现要素：

6.技术目的：针对现有非真空电子束焊接的电子枪工作距离受限，无法满足大型金属结构高质量焊接的不足，本发明公开了一种能够将电子束引入到大气环境，并获得较长工作距离，将能够满足大气环境高效、高质量焊接的大气环境工作的高压电子枪装置及使用方法。
7.技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：一种大气环境工作的高压电子枪装置，包括沿电子枪轴线方向依次设置的电子束流发生舱室、减压舱室和等离子体发生舱室，减压舱室和等离子体发生舱室均设有用于对电子束流进行聚焦的聚焦线圈；所述电子束流发生舱室与相邻的减压舱室相连通，电子束流发生舱室包括第一壳体以及设置的第一壳体内的绝缘子、灯丝、灯丝夹具、偏压杯和阳极，所述偏压杯上端通过导电环固定在绝缘子的下端，在偏压杯的杯底开设有用于灯丝发射的电子通过的中心孔，阳极对应位于偏压杯的下方，中心设置阳极孔；灯丝夹具同心设置在偏压杯内，导电环和灯丝夹具分别与高压电缆内对应的供电导线连通。
8.优选地，本发明的灯丝夹具包括陶瓷固定套管、绝缘陶瓷块、第一灯丝导电极、第二灯丝导电极，陶瓷固定套管同心设置在偏压杯内，绝缘陶瓷块位于陶瓷固定套管的中心，第一灯丝导电极和第二灯丝导电极对称安装于绝缘陶瓷块两侧，灯丝通过对应的灯丝导电极与高压电缆内的导线相连通。
9.优选地，本发明的减压舱室均通过接口与真空设备连接，在舱室内部形成对应等级的真空环境，相邻的腔室之间通过隔板进行分隔，隔板均为中心开孔，电子束通过隔板中心开孔进行运动传输，在中心开孔处均对应设置气阻，通过气阻将相邻的减压舱室分隔，形成阶梯式真空度的减压舱室结构。
10.优选地，本发明的减压舱室包括第一减压舱室、第二减压舱室和第三减压舱室，所述第一减压舱室与电子束流发生舱室之间通过第一隔板分隔，阳极固定在第一隔板上，第一隔板中心开孔，开孔直径大于阳极孔直径；在第一减压舱室的聚焦线圈上方设置合轴线圈，通过调节合轴线圈磁场使电子束轴线与电子枪的机械轴线相重合。
11.优选地，本发明的气阻均采用中空柱状结构，内置直径逐渐增加的台阶孔，台阶孔直径较大的一端位于隔板所在一侧。
12.优选地，本发明的等离子体发生舱室包括水冷外套、空心柱状钨极、钨极夹持座、导气管、气流均布环，所述空心柱状钨极通过钨极夹持座固定在相邻的减压舱室隔板下方，配合水冷外套进行钨极夹持座的定位固定；钨极夹持座与等离子体电源的负极连接，等离子体电源的正极与工件相连接，通电后在空心柱状钨极与工件之间形成等离子弧，钨极夹持座与隔板之间设置枪体间绝缘板；气流均布环同心固定在钨极夹持座上，位于空心柱状钨极的外周，与导气管相连通。
13.优选地，本发明的钨极夹持座采用截面为“t”型的中空结构，形成位于中心的夹持部以及位于四周的固定部，气流均布环套接在夹持部的外周，所述气流均布环内部设有环形导气槽，环形导气槽朝向等离子体发生舱室的一侧均布有多个出气孔，使工作气体通过出气孔进入等离子体发生舱室内。
14.优选地，本发明的水冷外套的上端通过安装法兰与钨极夹持座固定，水冷外套内壁采用漏斗状结构，在水冷外套底部形成正对工件的开口，开口自电子枪轴线相外侧倾斜，
倾斜夹角为60
°‑
150
°
。
15.本发明还提供一种基于上述高压电子枪装置的使用方法，包括步骤：s01、将电子枪高压电缆与外部的高压电源相连接，等离子体发生舱室内的空心柱状钨极和工件与等离子体电源相连接；s02、启动各减压舱室的连接的真空设备，使减压舱室的真空度达到设置要求；s03、向等离子体发生舱室内通入工作气体，启动等离子体电源，使空心柱状钨极与工件之间产生等离子弧，形成等离子弧柱区；s04、高压电源通电，分别向偏压杯、灯丝施加偏压、灯丝电压，灯丝通过电流发射电子，在偏压杯与阳极之间形成高压静电场，对电子进行加速，依次经过各减压舱室，通过减压舱室的聚焦线圈进行电子束流的调节，通过空心柱状钨极进入等离子弧柱区；s05、控制等离子弧柱区内电子束的电子密度为等离子体密度的两倍以上，在等离子弧柱区内建立稳定的等离子体通道，电子束通过等离子体通道到达工件表面，进行工件的焊接。
16.优选地，在本发明的步骤s05中，对等离子弧柱区内电子束的电子密度和等离子体密度控制过程包括：在电子枪的控制系统内预存等离子体电源输出功率与等离子体密度对应关系，预存不同高压电源输出下，电子束流在各个聚集线圈电流和工作距离调整时工件表面的电子束束斑面积，计算相应条件下等离子弧柱区电子束的电子密度。
17.有益效果：本发明所公开的一种大气环境工作的高压电子枪装置及使用方法具有如下有益效果：1、本发明使用多级减压舱将电子束流发生的高真空环境与电子束工作的大气环境进行隔离，能够将高压大功率电子束流引入到大气环境中，实现对大型金属结构的焊接。
18.2、本发明使用空心柱状钨极与工件间产生等离子体弧柱区，简化等离子体腔室结构设计，电子束通过空心柱状电极进入等离子体中形成离子通道，借助于等离子体通道传输电子及其自聚焦功能，不仅可以抑制大气环境下工作时电子束发散，而且可以减少电子能量损耗，增加电子束在大气环境中的工作距离，获取较大的焊缝熔深与焊缝深宽比，同时，有利于摆脱真空室体积对加工零件尺寸的束缚，拓展高压大功率电子束焊接技术的应用领域。
19.3、本发明电子枪的控制系统通过预存等离子体电源输出功率与等离子体密度对应关系，能够根据输出的电子束流大小设置等离子体电源输出功率，使不同大小的电子束进入等离子体弧柱区，均能够建立稳定的等离子通道。
20.4、本发明在电子束流发生舱室内设置偏压杯，通过偏压杯连接负高压，在偏压杯与阳极之间形成高压静电场，对电子束流发生舱室内产生电子进行加速，获取运动的初速度，以便在后续的无电场空间能够配合聚焦线圈作用进入空心柱状钨极内。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。
22.图1为本发明高压电子枪装置整体结构示意图；图2为本发明灯丝夹具与偏压杯结构示意图；
图3为本发明电子枪的控制系统与高压电源、等离子体电源连接示意图；其中，1~电子束流发生舱室；101~第一壳体；102~第一隔板；2~第一减压舱室；201~第一真空泵组接口；202~第二壳体；203~第一气阻；204~第二隔板；3~第二减压舱室；301~第二真空泵组接口；302~第三壳体；303~第二气阻；304~第三隔板；4~第三减压舱室；401~第三真空泵组接口；402~第四壳体；403~第三气阻；404~第四隔板；5~等离子体发生舱室；501~水冷外套；502~空心柱状钨极；503~钨极夹持座；504~输气管；505~气流均布环；506~极间绝缘隔板；507~进水口；508~出水口；6~电子枪绝缘顶盖；7~绝缘子；701~安装偏压杯的导电环；8~高压电缆；801~偏压电源导线；802~第一灯丝加热电源导线；803~第二灯丝加热电源导线；9~灯丝夹具；901~第一灯丝导电极、902~第二灯丝导电极；903~绝缘陶瓷块；904~第一陶瓷固定棒；905~第二陶瓷固定棒；10~偏压杯；1001~陶瓷固定套管；11~阳极；1101~阳极孔；12~合轴线圈；13~预聚焦线圈；14~第一聚焦线圈；15~第二聚焦线圈；16~第三聚焦线圈；17~扫描线圈；18~枪体间绝缘板；19~等离子体电源；20~工件；21~等离子束；22~电子束；23~控制系统；24~高压电源；25~灯丝。
实施方式
23.下面通过一较佳实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
24.如图1-图3所示为本发明所公开的一种大气环境工作的高压电子枪装置，包括沿电子枪轴线方向依次设置的电子束流发生舱室1、减压舱室和等离子体发生舱室5，减压舱室和等离子体发生舱室5均设有用于对电子束流进行聚焦的聚焦线圈；所述电子束流发生舱室1与相邻的减压舱室相连通，电子束流发生舱室1包括第一壳体101以及设置的第一壳体101内的绝缘子7、灯丝25、灯丝夹具9、偏压杯10和阳极11，所述偏压杯10上端通过导电环701固定在绝缘子7的下端，在偏压杯10的杯底开设有用于灯丝25发射的电子通过的中心孔，阳极11对应位于偏压杯10的下方，中心设置阳极孔1101；灯丝夹具9同心设置在偏压杯10内，导电环701和灯丝夹具9分别与高压电缆8内对应的供电导线连通。
25.具体的，如图1所示，本发明的绝缘子7采用中空的锥形结构，在绝缘子7的上端设置翻边，通过翻边与第一壳体101上的安装法兰连接，在安装法兰上方设置电子枪绝缘顶盖6，绝缘顶盖6与绝缘子7之间密封连接，将电子束流发生舱室1上部封闭；导电环701固定在绝缘子7下端，偏压杯10与导电环之间通过螺纹连接固定，为保证绝缘子7内真空度与电子束流发生舱室1的真空度相一致，在偏压杯10的侧壁均布有圆孔，通过圆孔将内外连通，保证偏压杯10内部、绝缘子7内部真空度与电子束流发生舱室1内部的真空度一致。
26.为保证所述高压部件与地之间的耐压等级，减少放电，提高电子枪工作过程的稳定性，本发明的绝缘子7由环氧树脂浇铸而成，工作电压-150kv以上，对地耐压不低于-260kv。
27.如图2所示，本发明的灯丝夹具9包括陶瓷固定套管1001、绝缘陶瓷块903、第一灯丝导电极901、第二灯丝导电极902，陶瓷固定套管1001同心设置在偏压杯10内，绝缘陶瓷块903位于陶瓷固定套管1001的中心，第一灯丝导电极901和第二灯丝导电极902对称安装于绝缘陶瓷块903两侧，灯丝25通过对应的灯丝导电极与高压电缆8内的导线相连通，本发明的高压电缆8包括偏压电源导线801、第一灯丝加热电源导线802和第二灯丝加热电源导线803，偏压电源导线801与导电环701连接，向偏压杯10供电，第一灯丝加热电源导线802与第一灯丝导电极901连接，第二灯丝加热电源导线803与第二灯丝导电极902连接，第一灯丝导电极901、第二灯丝导电极902下端为对称楔形结构，通过螺钉将“v”型灯丝25两端进行固定；为保证导电极安装可靠性，第一灯丝导电极901和第二灯丝导电极902通过沿垂直于电子枪轴线方向的陶瓷棒与绝缘陶瓷块903之间进行限位固定，陶瓷棒包括第一陶瓷固定棒904和第二陶瓷固定棒905。
28.本发明的减压舱室均通过接口与真空设备连接，在舱室内部形成对应等级的真空环境，相邻的腔室之间通过隔板进行分隔，隔板均为中心开孔，电子束通过隔板中心开孔进行运动传输，在中心开孔处均对应设置气阻，气阻均采用中空柱状结构，内置直径逐渐增加的台阶孔，台阶孔直径较大的一端位于隔板所在一侧，通过气阻将相邻的减压舱室分隔，形成阶梯式真空度的减压舱室结构。
29.在具体的实施例中，本发明的减压舱室包括第一减压舱室2、第二减压舱室3和第三减压舱室4，所述第一减压舱室2与电子束流发生舱室1之间通过第一隔板102分隔，阳极11固定在第一隔板102上，第一隔板102中心开孔，开孔直径大于阳极孔1101直径；在第一减压舱室2的聚焦线圈上方设置合轴线圈12，通过调节合轴线圈12磁场来调节将电子束轴线与电子枪机械轴线相互重合，减少电子束束斑能量密度分布的畸变，提高电子束的束流品质，在合轴线圈12下方的聚焦线圈为预聚焦线圈13，减小电子束在无场空间的发散程度。
30.第一减压舱室2由第一真空泵组接口201、第二壳体202、第一气阻203、第二隔板204组成，第一真空泵组接口201设置在第二壳体202侧壁上，用于连接分子泵和机械泵组，用于将第一减压舱室2、电子束流发生舱室1的真空度抽取到10-2
pa~5
×
10-3
pa；所述第二壳体202上、下端面分别设置安装法兰，用于密封连接电子束流发生舱室1与第二减压舱室2；所述第一气阻203安装在第二隔板204上，所述第一气阻203为内置梯形台阶的中空柱状结构，其长度不小于120mm，所述第一气阻203下端孔径不小于15mm，上端孔径不大于6mm，第二隔板204设置在第二壳体202下端，在第二隔板202中心开设通孔，通孔尺寸不小于第一气阻203的下端孔径。
31.第二隔板204的下表面接触第二减压舱室3，所述第二减压舱室3由第二真空泵组接口301、第三壳体302、第二气阻303、第三隔板304组成；所述第二真空泵组接口301设置在第三壳体302侧壁，用于连接罗茨泵与机械泵泵组，用于将第二减压舱室3的真空度抽取到10-1
pa~5
×
10-2
pa；所述第三壳体302的上、下端面分别设置安装法兰，用于密封连接第一减压舱室2与第三减压舱室4；所述第二气阻303安装在第三隔板304，所述第二气阻303为内置梯形台阶的中空柱状结构，其长度不小于120mm，所述气阻下端孔径不小于15mm，上端孔径不大于6mm；所述第二气阻303外部设置第一聚焦线圈14，用于保障电子束长焦；所述第三隔板304设置在第三壳体302下端，在第三隔板302中心开设通孔，通孔尺寸不小于第二气阻303的下端孔径。
32.第三隔板304的下表面接触第三减压舱室4，所述第三减压舱室4由第三真空泵组接口401、第四壳体402、第三气阻403、第四隔板404组成；所述第三真空泵组接口401设置在第四壳体402侧壁，用于连接机械泵泵组，用于将第三减压舱室4的真空度抽取到100pa~5
×
10-1
pa；所述第四壳体402的上、下端面分别设置安装法兰，用于密封连接第二减压舱室3与等离子体发生舱室5；所述第三气阻403安装在第四隔板404，所述第三气阻403为内置梯形台阶的中空柱状结构，其长度不小于120mm，所述气阻下端孔径不小于15mm，上端孔径不大于6mm；所述第三气阻403外部设置第二聚焦线圈15，用于保障电子束长焦；所述第四隔板404设置在第四壳体401下端，在第四隔板404中心开设通孔，通孔尺寸不小于第三气阻403的下端孔径。
33.本发明的等离子体发生舱室5包括水冷外套501、空心柱状钨极502、钨极夹持座503、导气管504、气流均布环505，所述空心柱状钨极502通过钨极夹持座503固定在第四隔板404的下方，配合水冷外套501进行钨极夹持座503的定位固定。
34.钨极夹持座503与等离子体电源19的负极连接，等离子体电源19的正极与工件20相连接，通电后在空心柱状钨极502与工件20之间形成等离子弧，作为优选，空心柱状钨极502的内径5~10mm，所述空心柱状钨极502下端设计成尖角，以便起弧；钨极夹持座503与第四隔板404之间设置枪体间绝缘板18；枪体间绝缘板18用于保障第三减压舱室4与等离子体发生舱室5之间的电气绝缘；钨极夹持座503与水冷外套501通过极间绝缘隔板506绝缘；气流均布环505同心固定在钨极夹持座503上，位于空心柱状钨极502的外周，与导气管504相连通。
35.本发明的钨极夹持座503采用截面为“t”型的中空结构，形成位于中心的夹持部以及位于四周的固定部，气流均布环505套接在夹持部的外周，所述气流均布环505内部设有环形导气槽，环形导气槽朝向等离子体发生舱室5的一侧均布有多个出气孔，出气孔孔径为2mm,使工作气体通过出气孔进入等离子体发生舱室5内。
36.本发明的水冷外套501的上端通过安装法兰与钨极夹持座503固定，水冷外套501外壁下端设置进水口507，外壁上端设置出水口508；水冷外套501内壁采用上端宽，下端窄的漏斗状结构，在水冷外套底部形成正对工件20的开口，开口自电子枪轴线相外侧倾斜，倾斜夹角为60
°
~150
°
，水冷外套501下端出口的周边设置多个通孔，以均匀化等离子气流。
37.在本发明的水冷外套501的外部还设置有第三聚焦线圈16、扫描线圈17，所述第三聚焦线圈16与预聚焦线圈13、第一聚焦线圈14、第二聚焦线圈15联合调节，以实现工作距离及电子束束斑能量密度分布状态的调节，扫描线圈17可以满足如焊缝表面修饰焊工艺等的特殊焊接工艺需求。本发明的电子枪装置设置用于对电子枪输出特性进行控制的控制系统23，通过控制系统23控制电子枪束流大小、各聚焦线圈的电流以及等离子电源的输出功率等，以实现针对不同工况下的焊接需求，对各部件的运行自动进行控制。
38.为此，本发明还提供一种基于上述高压电子枪装置的使用方法，包括步骤：s01、将电子枪高压电缆与外部的高压电源相连接，等离子体发生舱室内的空心柱状钨极和工件与等离子体电源相连接；控制系统预存了不同束流在各个聚焦线圈的电流及工作距离调整时工件表面的电子束束斑面积，从而可以计算出相应条件下通过等离子弧柱区电子束的电子密度；以及等离子体电源不同功率输出时的等离子弧柱中心区域的等离子体密度；可以根据所需要输
出的电子束流大小查询系统中预存在参数，控制等离子体电源的输出功率，使设定电子束通过等离子体弧柱区时，电子束电子密度达到其所接触等离子体弧柱区等离子体密度的2倍以上，以便形成稳定的等离子体通道，保证电子束的顺利传输。
39.s02、启动各减压舱室的连接的真空设备，使减压舱室的真空度达到设置要求；s03、向等离子体发生舱室内通入工作气体，启动等离子体电源，使空心柱状钨极与工件之间产生等离子弧，形成等离子弧柱区；s04、高压电源通电，分别向偏压杯、灯丝施加偏压、灯丝电压，灯丝通过电流发生电子，在偏压杯与阳极之间形成高压静电场，对电子进行加速，偏压较大时，在偏压杯中心孔附件产生电子云，逐渐降低偏压，电子逐渐增大向阳极孔发射数量；电子束依次经过各减压舱室，通过减压舱室的聚焦线圈进行电子束流的调节，通过空心柱状钨极进入等离子弧柱区；s05、控制等离子弧柱区内电子束的电子密度为等离子体密度的两倍以上，在等离子弧柱区内建立稳定的等离子体通道，电子束通过等离子体通道到达工件表面，通过调节各个聚焦线圈参数，在工件表面即可获得能量高度集中的电子束束斑，电子束轰击金属材料表面，将动能转化成热能，熔化金属，用于实施大气环境电子束焊接工艺。
40.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种大气环境工作的高压电子枪装置，其特征在于，包括沿电子枪轴线方向依次设置的电子束流发生舱室（1）、减压舱室和等离子体发生舱室（5），减压舱室和等离子体发生舱室（5）均设有用于对电子束流进行聚焦的聚焦线圈；所述电子束流发生舱室（1）与相邻的减压舱室相连通，电子束流发生舱室（1）包括第一壳体（101）以及设置的第一壳体（101）内的绝缘子（7）、灯丝（25）、灯丝夹具（9）、偏压杯（10）和阳极（11），所述偏压杯（10）上端通过导电环（701）固定在绝缘子（7）的下端，在偏压杯（10）的杯底开设有用于灯丝（25）发射的电子通过的中心孔，阳极（11）对应位于偏压杯（10）的下方，中心设置阳极孔（1101）；灯丝夹具（9）同心设置在偏压杯（10）内，导电环（701）和灯丝夹具（9）分别与高压电缆（8）内对应的供电导线连通。2.根据权利要求1所述的一种大气环境工作的高压电子枪装置，其特征在于，所述灯丝夹具（9）包括陶瓷固定套管（1001）、绝缘陶瓷块（903）、第一灯丝导电极（901）、第二灯丝导电极（902），陶瓷固定套管（1001）同心设置在偏压杯（10）内，绝缘陶瓷块（903）位于陶瓷固定套管（1001）的中心，第一灯丝导电极（901）和第二灯丝导电极（902）对称安装于绝缘陶瓷块（903）两侧，灯丝（25）通过对应的灯丝导电极与高压电缆（8）内的导线相连通。3.根据权利要求1所述的一种大气环境工作的高压电子枪装置，其特征在于，所述减压舱室均通过接口与真空设备连接，在舱室内部形成对应等级的真空环境，相邻的腔室之间通过隔板进行分隔，隔板均为中心开孔，电子束通过隔板中心开孔进行运动传输，在中心开孔处均对应设置气阻，通过气阻将相邻的减压舱室分隔，形成阶梯式真空度的减压舱室结构。4.根据权利要求3所述的一种大气环境工作的高压电子枪装置，其特征在于，所述减压舱室包括第一减压舱室（2）、第二减压舱室（3）和第三减压舱室（4），所述第一减压舱室（2）与电子束流发生舱室（1）之间通过第一隔板（102）分隔，阳极（11）固定在第一隔板（102）上，第一隔板（102）中心开孔，开孔直径大于阳极孔（1101）直径；在第一减压舱室（2）的聚焦线圈上方设置合轴线圈（12），通过调节合轴线圈（12）的磁场使电子束轴线与电子枪的机械轴线相重合。5.根据权利要求3所述的一种大气环境工作的高压电子枪装置，其特征在于，所述气阻均采用中空柱状结构，内置直径逐渐增加的台阶孔，台阶孔直径较大的一端位于隔板所在一侧。6.根据权利要求1所述的一种大气环境工作的高压电子枪装置，其特征在于，所述等离子体发生舱室（5）包括水冷外套（501）、空心柱状钨极（502）、钨极夹持座（503）、导气管（504）、气流均布环（505），所述空心柱状钨极（502）通过钨极夹持座（503）固定在相邻的减压舱室隔板下方，配合水冷外套（501）进行钨极夹持座（503）的定位固定；钨极夹持座（503）与等离子体电源（19）的负极连接，等离子体电源（19）的正极与工件（20）相连接，通电后在空心柱状钨极（502）与工件（20）之间形成等离子弧，钨极夹持座（503）与隔板之间设置枪体间绝缘板（18）；气流均布环（505）同心固定在钨极夹持座（503）上，位于空心柱状钨极（502）的外周，与导气管（504）相连通。7.根据权利要求6所述的一种大气环境工作的高压电子枪装置，其特征在于，所述钨极夹持座（503）采用截面为“t”型的中空结构，形成位于中心的夹持部以及位于四周的固定部，气流均布环（505）套接在夹持部的外周，所述气流均布环（505）内部设有环形导气槽，环
形导气槽朝向等离子体发生舱室（5）的一侧均布有布汽孔，使工作气体通过布汽孔进入等离子体发生舱室（5）内。8.根据权利要求6所述的一种大气环境工作的高压电子枪装置，其特征在于，所述水冷外套（501）的上端通过安装法兰与钨极夹持座（503）固定，水冷外套（501）内壁采用漏斗状结构，在水冷外套底部形成正对工件（20）的开口，开口自电子枪轴线相外侧倾斜，倾斜夹角为60
°‑
150
°
。9.一种基于权利要求1-8任一所述的高压电子枪装置的使用方法，其特征在于，包括步骤：s01、将电子枪高压电缆与外部的高压电源相连接，等离子体发生舱室内的空心柱状钨极和工件与等离子体电源相连接；s02、启动各减压舱室的连接的真空设备，使减压舱室的真空度达到设置要求；s03、向等离子体发生舱室内通入工作气体，启动等离子体电源，使空心柱状钨极与工件之间产生等离子弧，形成等离子弧柱区；s04、高压电源通电，分别向偏压杯、灯丝施加偏压、灯丝电压，灯丝通过电流发射电子，在偏压杯与阳极之间形成高压静电场，对电子进行加速，依次经过各减压舱室，通过减压舱室的聚焦线圈进行电子束流的调节，通过空心柱状钨极进入等离子弧柱区；s05、控制等离子弧柱区内电子束的电子密度为等离子体密度的两倍以上，在等离子弧柱区内建立稳定的等离子体通道，电子束通过等离子体通道到达工件表面，进行工件的焊接。10.根据权利要求9所述的一种高压电子枪装置使用方法，其特征在于，在步骤s05中，对等离子弧柱区内电子束的电子密度和等离子体密度控制过程包括：在电子枪的控制系统内预存等离子体电源输出功率与等离子体密度对应关系，预存不同高压电源输出下，电子束流在各个聚集线圈电流和工作距离调整时工件表面的电子束束斑面积，计算相应条件下等离子弧柱区电子束的电子密度。

技术总结
本发明公开了一种大气环境工作的高压电子枪装置及使用方法，高压电子枪装置包括沿电子枪轴线方向依次设置的电子束流发生舱室、减压舱室和等离子体发生舱室，减压舱室和等离子体发生舱室均设有用于对电子束流进行聚焦的聚焦线圈；所述电子束流发生舱室与相邻的减压舱室相连通，电子束流发生舱室包括第一壳体以及设置的第一壳体内的绝缘子、灯丝、灯丝夹具、偏压杯和阳极；偏压杯和灯丝夹具分别与高压电缆内对应的供电导线连通，本发明使用多级减压舱将电子束流发生的高真空环境与电子束工作的大气环境进行隔离，利用等离子体通道传输高能电子，减少电子能量损失，有利于将高压大功率电子束流引入到大气环境中，实现对大型金属结构的焊接。结构的焊接。结构的焊接。


技术研发人员：张伟 李宗洋
受保护的技术使用者：南京晟源企业管理合伙企业（有限合伙）
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/4