一．引言電子束焊接是一種特殊焊接工藝，從當初的試驗室應用發展到應用于工業電源走過了50年的發展歷程。電子束焊接的主要工作原理是在真空狀態下利用高壓靜電場把熱陰極發射的電子會聚成電子束經電磁聚焦成一能量密度極高的小斑點（一般達105～8W/cm2），轟擊被焊工件，使焊縫兩側的金屬迅速熔化，實現焊接目的的一種工藝技術。它具有不用焊條、焊縫深而窄、熱影響區小、焊速高的特點，因而焊縫純凈，深寬比大，焊接熱變形量小，表面光滑亮澤，內部晶相排列緊密。特別是對于諸如鎢、鈮、鉭等用普通焊接方式難以進行焊接的難熔金屬材料以及不同熔點（例如銅與鎢等）、不同厚度的工件，“電子束焊”是十分理想的焊接方法。

應用范圍：廣泛應用于航天、航空、核能、兵器和儀表、汽車、電工機械等行業，例如人造衛星部件、鈦合金、鋯板等材料結構件、組合件和彈性部件、膜盒、齒輪組件、汽車半軸、電工觸頭、雙金屬鋸帶和雙金屬材料等。基本工藝如圖1所示

二．系統概況和改造方案

某冶金研究所的“ZD-7”電子束焊機是北京電子組件十二廠1975年專門為該所設計生產的特殊焊接設備，它主要由高壓電源、真空系統，焊接輔助控制系統三大部分組成。限于當時電力電子器件，技術條件等方面的制約，該設備自投入使用三十年以來電氣部分始終存著控制精度差、故障率高，高壓紋波大的缺點，從而導致生產效率和產品成品率低，無法保證正常生產。經過反復研究該冶金研究所決定對這臺電子束焊機的電氣部分進行改造，我有幸成為了這個項目的設計負責人。根據技術要求提出如下方案：

1.將原來的接觸器。繼電器式的電磁控制系統改為由PLC和HMI人機界面操作屏組成的新型控制系統，這樣通過清晰美觀的組態畫面進行操作既提高了操作的自動化程度和直觀性，又提高了焊接的控制精度。

2.將原有的手動閥門全部變為電磁閥以實現真空系統的自動抽真空過程。

3.該電子束焊機的聚焦、偏轉及焊件進給的公、自轉部分原來采用圓盤式陶瓷電阻開環調節，精度低、占用空間大，操作不方便；現用電子板配合PLC模擬量的反饋可以實現閉環控制，精度高、占用空間小，操作靈活方便。

4.電子束焊機的燈絲加熱電源采用單相調壓調節陰極燈絲加熱電流。連接燈絲變壓器副邊繞組的陰極鎢絲冷態直流電阻值只有0.5~1Ω，所以當調節燈絲變壓器原邊繞組電壓時(間接調節陰極燈絲加熱電流)，由于燈絲變壓器副邊繞組極低的阻抗值造成原邊激磁電流會在很窄的調節范圍內變化很大(直接影響毫安級的電子束流)。因此燈絲加熱電源的控制同樣需要閉環控制以提高其控制精度和擴大調節范圍。

5.其“核心”部分—高壓電源采用三相調壓器人工開環調壓，經三相升壓變壓器升壓，二極管整流供電的方式，這種原始的控制和調節僅滿足于試驗研究和要求不高的應用場合。體積大、效率低、操作復雜和可靠性差是該電源的主要缺點。參照國內外電子束焊機成形產品及相關資料，決定將原工頻高壓電源改為高頻高壓電源。

三．改造實施及現場調試

1．PLC和HMI

本機選用的PLC為西門子公司生產的S7-300系列可編程邏輯控制器，由它實現對設備的各種邏輯控制。CPU單元為315-2DP，配有64K閃存卡以存貯用戶程序。通過PLC的邏輯運算模擬量輸出來控制高壓、束流、聚焦、偏轉、焊件公/自轉的給定；通過PLC的邏輯運算模擬量輸入來顯示高壓電壓值，束流、聚焦、偏轉電流值，焊件公自轉的速度；通過PLC的開關量輸入顯示返回狀態并且實現電氣聯鎖；通過PLC的關量輸出驅動所有外圍設備啟動或停止；315-2DP功能較強，內部集成了許多SFC(系統功能)，可以對高壓、束流進行斜坡函數軟啟動、PID調節，實現動態調節，另外模擬量模板的分辨率是12位足以滿足控制精度。HMI同樣選用西門子OP270操作面板，與S7-300的通訊方式為MPI。高壓、束流、聚焦、偏轉、焊件公/自轉的給定和控制均可以在HMI操作，同時在上面讀出相應的值和狀態。HMI為10英寸液晶屏，外形輕薄，可直接嵌入安裝在控制柜門上節省了大量空間。HMI自帶Win95操作系統，加上所作的工藝畫面完全實現了人機界面，操作起來方便簡單。整個PLC和HMI系統配置如圖2所示：

根據控制和工藝要求PLC程序框圖如圖3所示：

2．聚焦偏轉及焊件公自轉

1)電子束的聚焦、偏轉線圈固定在電子槍內部，聚束極下方(電位接近陽極電位)，對電子束起到電磁聚焦和電磁偏轉的作用，如果不穩定或脈動較大將直接影響電子束的能量，即焊件的焊接質量。所以要求輸出的聚焦、偏轉電壓波形平直，調節起來平穩。對聚焦、偏轉毫安級的電源來講只要輸出有足夠大的濾波電容，采用合適的濾波形式(本設備為Π形濾波)可使UO=1.2~1.3U2完全滿足要求。另外在電路上采用比例積分放大器，電壓輸出采用大功率三極管輸出以(電流放大，β=40)，完全實現輸出電壓平滑可調。偏轉線圈電壓為正、負雙向連續可調。

2)保留原設備的公轉、自轉機械聯鎖，手動切換。公轉（自轉）電機是直流伺服電機，原設備的控制采用單相調壓器調壓，體積大，調節范圍窄，速度不平穩。同樣采用電子電路控制，通過霍爾變送器將速度值（電樞電壓）送到PLC模擬量模板，經PLC程序規格化后由PLC模擬量輸出模板再送回該電路板上的PI調節器形成閉環控制，增大了調節范圍，穩定了轉速。電樞電壓的輸出采用大功率三極管兩極放大輸出構成的“H”橋，可以保證直流伺服電機正、負方向運行和電路板承受足夠的過載能力。

3)聚焦偏轉及焊件公自轉既可以在HMI上預置也可以在操作盒上用電位計調節，方便實用。

3．燈絲加熱電流(束流控制)

如前所述，束流的控制依賴調節燈絲加熱電流。在熱狀態下陰極鎢絲產生大量的活躍電子，連續不斷的活躍電子在靜電場力的作用下形成電流，電流的大小取決于活躍電子的多少，而活躍電子的多少又取決于燈絲加熱電流，即燈絲變壓器原邊電壓的大小。原設備同樣采用單相調壓器調壓，同樣存在體積大，調節范圍窄的缺點，要達到理想的控制要求必須改變控制方式。設計采用可控硅反并聯(盡量不要采用雙相可控硅)，控制板采用恒流的控制方式，將束流電流（不是加熱流壓）經霍爾變送器(經PLC程序規格化)反饋到控制板的PI調節器，只要焊接束流有變化，系統立即跟蹤穩定束流。束流控制與高頻高壓電源恒壓功能配合兼作內環，更起到穩定焊按電流的效果。該調壓控制板具有故障(過流、過載、欠壓等)保護功能。原理如圖4所示：

4．高壓電源

高壓偏置電源(簡稱高壓電源)是整個電子束焊機的心臟，它具有形成強電場和靜電聚焦的雙重任務，是評判一個電子束焊機性能的決定性指標，可以說改造電子束焊機就是改造高壓電源。經過查找相關資料得知，不考慮其它因素原三相整流高壓電源輸出電壓的紋波系數大于1%，只適合焊接一些粗放型工藝要求不高的產品，無法適應精密器件的焊接。隨著電力電子器(如IGBT)的發展，高頻高壓電源無疑成為高壓偏置電源的首選。新高壓電源紋波系數小于1%，電壓負載率+－1%。

電主電路系統(如下圖5)：

圖5

1)EMC濾波電路

開關電源工作時會產生傳導噪聲返回到市電網絡，影響電源控制