基于亥姆霍兹线圈的电子束偏转扫描技术研究

针对电子束偏转扫描频率低以及扫描线圈磁场不均匀的问题,研究了电子束在磁场中的运动原理,设计了基于亥姆霍兹线圈的电子束偏转扫描线圈,并研究了相应的驱动电路。由电子枪的结构尺寸及亥姆霍兹线圈的基本原理设计了扫描线圈,由电子枪加速电压、工作距离及所需偏转范围确定了所需磁场强度,并进一步计算了安匝数。设计了基于PID控制的高频扫描驱动电路。结果表明,所设计的电子束偏转扫描线圈的磁场强度均匀性高,其驱动电路性能稳定,流过扫描线圈3A电流高达30kHz。     

基于Helmholtz的低感抗电子束偏转扫描线圈仿真

为了提高电子束偏转扫描频率和磁场均匀性,采用Helmholtz空心线圈结构设计了一种低感抗电子枪偏转扫描线圈。采用ANSYS有限元分析软件对偏转扫描线圈的电磁场分布进行仿真,并采用高斯计对线圈内部的电磁场进行了测量,仿真结果与实际测量值基本吻合,线圈内部的磁感应强度大小和电磁场分布的均匀性可以满足电子束高频偏转扫描的要求。实际扫描试验表明,该线圈实现了两点电子束高频偏转扫描,扫描频率可达30 k Hz。     

随行辅助预热电子束薄板焊接的数值模拟

电子束焊接薄板过程中,由于局部加热过快,易产生焊接变形。因此,在电子束焊接的主热源两侧引入基于高频扫描技术的电子束辅助热源,进行焊前预热,以达到减小焊接变形的目的。建立了矩形均匀加热辅助热源模型,采用热弹塑性有限元分析方法对1.5mm厚不锈钢薄板随行辅助预热电子束焊接进行数值模拟,并且进行了试验验证。结果表明,焊后残余应力和变形的模拟结果与试验所得结论一致。电子束焊接随行辅助预热方法不仅可以改变熔池前方材料的应力状态,而且当熔池形成瞬间熔池时,还可以减小前方材料的压应力峰值,有利于减小薄板结构的焊接变形。     

电子束高频偏转扫描线圈的设计与仿真

为提高电子束高频偏转扫描的频率及磁场均匀性,基于Helmholtz线圈的工作原理,采用空心结构设计了一种高频偏转扫描线圈,并根据电子枪的结构和电子束偏转扫描的技术要求,计算了所需磁场强度及安匝数。采用三维软件Pro/e建立了几何模型和有限元分析模型,并利用Maxwell进行电磁场仿真,分析了所设计高频偏转扫描线圈电磁场分布的均匀性,并制作实物进行测量,测量结果与仿真结果基本一致。所设计的偏转扫描线圈产生的磁场强度及磁场均匀性均满足电子束高频偏转扫描的技术要求,实际测试结果表明,电子束扫描范围可达到350mm×350mm,电子束偏转扫描速度可实现7000mm/s。     

TC4钛合金薄板多束流电子束焊接变形控制研究

采用电子束高频偏转扫描技术实现了多束流电子束焊接,在焊接的同时增加两个辅助电子束热源进行TC4钛合金薄板的焊后缓冷,利用辅助热源在焊缝两侧产生的热应力来改变焊件的应力分布,达到减小焊后应力、控制焊接变形的目的。重点研究了辅助热源位置和能量分配等工艺参数对焊接变形的影响。实验结果表明,采用辅助热源进行焊后缓冷可以有效减小焊接变形,当D=5mm,H=10mm,电子束束流为9.3m A,能量分配为16.25%时,1mm厚的TC4钛合金薄板焊接变形最小。     

TC4钛合金薄板多束流电子束焊接变形控制研究

采用电子束高频偏转扫描技术实现了多束流电子束焊接,在焊接的同时增加两个辅助电子束热源进行TC4钛合金薄板的焊后缓冷,利用辅助热源在焊缝两侧产生的热应力来改变焊件的应力分布,达到减小焊后应力、控制焊接变形的目的。重点研究了辅助热源位置和能量分配等工艺参数对焊接变形的影响。试验结果表明,采用辅助热源进行焊后缓冷可以有效减小焊接变形,当D=5mm,H=10mm,电子束束流为9.3m A,能量分配为16.25%时,1mm厚的TC4钛合金薄板焊接变形最小。     

基于扫描轨迹控制的电子束加工技术

在通用真空电子束焊机的基础上配置两对电子束偏转线圈、工控机(IPC)、NI多功能数据采集卡、功率放大器以及虚拟仪器软件LabVIEW,构建一个电子束扫描控制系统.利用该系统可对电子束扫描轨迹、扫描频率以及加热区域电子束能量密度的分配进行离线编辑,以及对扫描轨迹、电子束束流进行实时调节和控制.使用该系统进行了不锈钢毛细管板结构的钎焊试验;对铌钛异种合金采用不对称热输入的扫描加热方式进行焊接;对于不能直接焊接的异种金属(如Re-Ti),可使用本系统的扫描加热技术,通过粉末冶炼制备中间过渡层.     

高速电磁阀响应特性的研究

为实现电磁阀的高速响应的要求,提出了自行设计基于电容放电的驱动电路,通过仿真研究,确定驱动电路参数的取值范围。对电磁阀线圈结构参数对响应特性的影响进行了仿真与试验研究,仿真和试验结果的比较表明设计电磁阀具有较好的动态响应特性。     

镍基高温合金电子束焊缝形貌预测模型及其验证

针对深熔电子束焊特有的钉形焊缝形貌特征,在综合考虑了熔池和匙孔中能量吸收与再分布效应的基础上,建立了高斯面热源和圆柱体热源组合的移动热输入数值模型。进而利用ANSYS通用有限元软件,对镍基高温合金GH4133电子束焊的完全穿透和部分穿透焊接温度场进行了三维数值模拟,分析中考虑了辐射换热和温度相关材料性能的影响。两种情况下的预测结果与实际接头的焊缝金相轮廓吻合良好,证明了组合热源模型的有效性,为进一步开展热-力-组织多场耦合的准确分析提供了可靠的保证。     

射频离子推力器热特性仿真分析

为了分析射频离子推力器热特性,建立了射频离子推力器整体热模型,基于二维流体模型,对11cm射频离子推力器开展了放电室等离子体仿真,获得了电子温度、电势分布等关键参数;以等离子体仿真结果和实测束电流为输入,获得了各热源的热通量;通过有限元计算获得了关键部组件的温度分布,与实验结果进行了对比分析。研究结果显示:放电室内电子温度约为3.6eV～3.9eV,等离子体电势最高20V,发热损耗主要来自带电粒子轰击放电室壁面和栅极造成的能量沉积、激发原子的热辐射以及射频线圈自身的发热损耗,温度仿真与实测结果一致性良好,最大误差7%,仿真得到的温度分布可以作为输入参数进一步研究栅极受热形变及对束流的影响。     

电子束熔覆改性技术扫描波形设计

根据电子束扫描特性,设计电子束熔覆改性试验所用波形,利用该波形进行钛合金表面熔凝和硅化物涂层重熔试验,研究了扫描波形对电子束单道熔覆能量输入均匀性的影响。结果表明,电子束熔覆过程中熔池表面温度场均匀性是扫描波形、电子束束斑品质、扫描频率和工艺参数综合影响的结果,所设计波形可用于电子束熔覆表面改性技术,改性层厚度均匀一致,扫描波形是影响电子束熔覆过程中熔池表面温度场均匀性的关键因素。     

射频离子推力器热特性仿真分析

为了分析射频离子推力器热特性，建立了射频离子推力器整体热模型，基于二维流体模型，对11cm射频离子推力器开展了放电室等离子体仿真，获得了电子温度、电势分布等关键参数；以等离子体仿真结果和实测束电流为输入，获得了各热源的热通量；通过有限元计算获得了关键部组件的温度分布，与实验结果进行了对比分析。研究结果显示：放电室内电子温度约为3.6eV~3.9eV，等离子体电势最高20V，发热损耗主要来自带电粒子轰击放电室壁面和栅极造成的能量沉积、激发原子的热辐射以及射频线圈自身的发热损耗，温度仿真与实测结果一致性良好，最大误差7%，仿真得到的温度分布可以作为输入参数进一步研究栅极受热形变及对束流的影响。     

电子束熔丝增材制造过程随动测温阵列系统

实时监测电子束熔丝增材制造过程的温度场分布对于抑制变形、提高电子束熔丝增材制造质量具有重要意义。研制了一套电子束熔丝增材制造过程的随行动态测温阵列系统,对整个装置进行了系统设计、硬件集成、软件编写和试验验证。结果表明,该随动测温阵列系统在电子束熔丝增材制造过程的高真空、高温、高辐射、高金属蒸气等恶劣环境中能稳定工作,不仅能在正常状态下进行测温,而且在增材基板受热变形时也能连续测温,能够实现随行动态测温以及温度场实时显示、存储和重构分析等功能,显示形象直观,系统稳定性较强,操作简单。     

悬挂运动控制系统设计

介绍了以凌阳单片机SPCE061A板为核心作为悬挂运动控制的系统,实现了键盘输入识别、传感器信号采集、电机驱动电路控制等功能。根据物体在平面任一处两端吊绳的长度唯一确定的原理,通过单片机编程控制电机转动带动吊绳伸长或缩短,实现物体沿任意设定轨迹运动。引导部分用反射式红外传感器探测板面黑线,信息送入单片机处理后,控制物块沿黑线前进。该系统可以完成到达任意预设坐标,沿自行设定轨迹运动,以板上任意处为圆心画直径为50cm的圆和寻黑线前进任务。     

超磁致伸缩电静液作动器磁场分析与优化

提出一种超磁致伸缩电静液作动器（GMEHA）结构,采用永磁体与控制线圈组合提供驱动磁场.首先建立了该组合磁路数学模型,并给出了超磁致伸缩棒内磁感应强度计算解析式;其次,对以上结构进行了有限元分析（FEA）,得出了磁路主要结构参数与磁场分布均匀性之间映射规律;最后进行了作动器磁场试验研究并与有限元分析结果进行了对比,验证了理论与有限元模型的可预测性,给出了该电静液作动器结构设计方法.结果表明:该电静液作动器的最佳驱动频率为250Hz,最大无负载体积流量为0.85L/min,最大阻断力达到了120N.      

45号钢脉冲电子束熔凝处理及微结构研究

利用多极板赝火花放电装置产生的高功率脉冲电子束对45号钢进行轰击,通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电镜(TEM)的观察,研究了电子束在金属表面和纵向深度上引起的组织结构的变化。结果表明轰击区表面瞬态骤熔急冷,形成了微晶或无序层;剖面组织区域分为熔凝区,马氏体区,热影响区和基体。熔凝区在极高的温度梯度下,具有自淬火效应。马氏体区和热影响区在多脉冲的作用下,相当于经历了多次退火和回火过程,材料组织明显细化。轰击后样品表面的显微硬度与耐腐蚀性测试结果表明,显微组织的细化,改善了金属材料表面的物化性能。采用适当的脉冲数对金属材料表面改性作用效果明显。     

一种小功率逆变电源的设计及实现

介绍了一种小功率逆变电源电路的实现方法。对逆变主电路、电压控制电路、驱动电路、SCOTT电路进行了研究。该逆变电源具有工作可靠、波形失真小的特点。     

激波聚焦火焰聚心起爆器的数值研究

针对短距离内的激波聚焦起爆问题,设计了一种激波聚焦火焰聚心起爆结构,通过数值模拟方法对该结构内部流场变化进行研究。结果表明:加速区是火焰失稳加速的重要区域;聚焦区能量汇聚造成局部爆炸是燃烧转爆轰加速的关键因素,且该区域内由于几何结构形成的卷吸涡能够增强聚焦并阻碍激波回传入加速区;稳燃区主要实现爆轰波从过驱状态到稳定爆轰状态的过渡区。确定中心轴线上温度、压力波动是由于聚焦腔聚焦作用造成的,而爆轰波锋面温度压力变化是由于三波点运动造成。      

基于背散射电子的电子束加工过程在线观测系统研制

为了在高真空、高温、高金属蒸气的电子束加工过程中获得清晰的观测效果,采用四极板背散射电子接收传感器、高频信号放大电路、高频数据采集卡、高频偏转扫描系统等,研制了一套基于背散射电子的在线观测系统。通过试验验证,所研制系统可以有效观测100mm×100mm范围内的工件,图像分辨率为512像素×512像素,图像处理帧数可以达到6帧/s。