一种电子枪装置的制作方法

本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种大功率直热式电子枪装置，具体的讲是一种用于电子束熔丝增材制造的电子枪装置。

背景技术：

电子束熔丝增材制造是近年来发展起来的一种快速成型技术，是利用电子束作为能源，熔化送进的金属丝材，按照预定路径逐层堆积，并与前一层面形成冶金结合，直至形成致密的金属零件。针对大型零件的熔丝沉积增材制造，不仅需要较大的成型空间尺寸，而且要求较高的成型效率，这就要求较大功率的电子束源。

通常，用于电子束熔丝增材制造的电子枪包括间热式和直热式两种类型。其中，间热式电子枪需要四芯高压电缆传输灯丝加热电流、轰击电压、偏压，所用四芯高压电缆时需要考虑各个传输导线之间，以及各传输导线与地之间的绝缘强度，这样便使得四芯高压电缆横截面的线径较大，难以获得较小的弯曲半径，在有限的真空室内当动枪使用时，成型零件尺寸将会被大幅压缩；而直热式电子枪需要三芯高压电缆传输灯丝加热电流、偏压，根据其输出功率的变化，三芯高压电缆的灯丝加热电流导线时需要传输十多安培电流甚至数十安培电流，这样大的电流传输要求灯丝导线的截面积较大，此外还需要考虑灯丝传输导线和偏压之间的耐压，三芯高压电缆的各个传输导线与地之间的绝缘强度，因此三芯高压电缆的电缆横截面也很难做到很小，直热式电子枪作为真空室内动枪使用时，在真空室的有限空间内，成型零件尺寸也难以大幅提高，如需要熔丝制造大型零件，则需要将真空室尺寸增大，设备成本费用将会显著提高。

目前，用于电子束熔丝增材制造的大功率电子枪的设计制造技术主要被欧美公司垄断，我国采用的电子束熔丝制造的电子枪还主要依赖于进口。因此，发明人提供了一种电子枪装置，用于大功率的电子束熔丝增材制造。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种电子枪装置，该装置有效减小了高压电缆的横截面，提高真空室内电子枪活动的灵活性，满足熔丝增材制造对大功率电子束源的需求，并且打破了国外对大功率电子枪的设计制造技术的垄断。

本发明的实施例提出了一种电子枪装置，该装置用于电子束熔丝增材制造，该装置包括：单芯高压电缆、上段壳体、中段壳体、下段壳体和冷却系统。其中，单芯高压电缆用于将负高压导入所述电子枪内，上段壳体，顶端设有密封顶盖，所述密封顶盖上设有接入所述单芯高压电缆的电缆固定座，所述上段壳体的腔室内部设有高压绝缘子组件，所述高压绝缘子组件与所述密封顶盖之间组成一个封闭空间，所述封闭空间内充满高压绝缘油，在所述高压绝缘子组件的下部设有偏压杯，所述偏压杯内设有灯丝，在所述封闭空间内设有复合变压器组件和偏压整流电路板组件，所述复合变压器组件的输入端连接逆变电源，所述复合变压器组件的输出端连接所述偏压整流电路板组件的输入端，所述偏压整流电路板组件的输出端的正端连接所述单芯高压电缆，输出端的负端连接所述高压绝缘子组件，所述复合变压器组件通过所述高压绝缘子组件连接所述灯丝；中段壳体的内部设有阳极，所述阳极与所述偏压杯之间形成加速电场空间；下段壳体的内部从上至下设置有聚焦线圈和扫描线圈；在所述上段壳体、中段壳体和下端壳体的内部均设有所述冷却系统。

在第一种可能的实现方式中，所述冷却系统包括第一水冷循环、第二水冷循环、第三水冷循环和第四水冷循环，其中，第一水冷循环包括第一进水口和第一出水口，所述第一进水口设在所述上段壳体的下部，所述第一出水口设在所述上段壳体的上部；第二水冷循环包括第二进水口和第二出水口，所述第二进水口设在所述下段壳体的下部，所述第二出水口设在所述下段壳体的上部；第三水冷循环包括设置在所述阳极上的环形冷却水道，所述环形冷却水道的第三进水口和第三出水口均设在所述电子枪中段壳体上；第四水冷循环包括水冷蛇形管，所述水冷蛇形管的主体部分设在所述密封顶盖和所述复合变压器之间的空间内，所述水冷蛇形管的进水口和出水口均设在所述密封顶盖上。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述复合变压器组件包括磁芯以及在所述磁芯上绕制的彼此间相互绝缘的原边绕组、降压绕组和升压绕组，所述原边绕组的外侧设有高压绝缘层，所述降压绕组和所述升压绕组分别在所述高压绝缘层上的两侧绕制，所述降压绕组连接所述灯丝，所述升压绕组连接所述单芯高压电缆和所述高压绝缘子组件，所述原边绕组通过设在所述密封顶盖上的输入信号航插连接所述逆变电源的输入端。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述偏压整流电路板组件包括由二极管组成的全桥整流电路、调压部件和滤波电路，所述全桥整流电路的正输出端和所述调压部件串联后的电路再与所述滤波电路并联，所述全桥整流电路上并联的a输入端和b输入端分别与所述升压绕组的两端连接，所述调压部件与所述滤波电路之间的电路连接所述单芯高压电缆，所述调压部件的调节信号输入端串联高压隔离电路，所述高压隔离电路连接所述输入信号航插。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述高压绝缘子组件为半封闭结构，其敞开端朝向所述密封顶盖并形成封闭空间，所述高压绝缘子组件的内部包括灯丝导电柱a、灯丝导电柱b、偏压导电环和偏压导线，所述降压绕组的两端分别通过所述灯丝导电柱a和所述灯丝导电柱b连接所述灯丝的两端，所述偏压整流电路板组件输出端的负端通过所述偏压导线连接所述偏压导电环，所述偏压导电环连接所述偏压杯。

结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述高压绝缘子组件的半封闭结构采用环氧树脂浇筑而成，在所述高压绝缘子组件的半封闭结构的内壁上设有安装凸台，用于安装所述复合变压器组件和所述偏压整流电路板组件，所述灯丝导电柱a、所述灯丝导电柱b和所述偏压导电环均设置在所述半封闭结构的封闭底端，所述灯丝导电柱a和所述灯丝导电柱b伸出所述环氧树脂的头部均为圆柱形结构，所述圆柱形结构的端头为沉孔结构，所述偏压导线预埋设在所述环氧树脂的绝缘部分。

结合上述可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，在所述偏压杯内的空腔内设有灯丝卡头，所述灯丝卡头包括对称结构的灯丝锥a和灯丝锥b，所述灯丝锥a和所述灯丝锥b之间设有绝缘隔板，所述灯丝安装固定在所述灯丝锥a和所述灯丝锥b上，在所述灯丝锥a和所述灯丝锥b上设有安装柱头，所述安装柱头为凹槽结构，用于安装所述灯丝导电柱a和所述灯丝导电柱b。

结合上述可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述灯丝锥a和所述灯丝锥b均采用上宽下窄的半锥形结构，在所述灯丝锥a和所述灯丝锥b的宽端面上均设有陶瓷凸台，所述陶瓷凸台用于安装在所述偏压杯内壁上，所述安装柱头设在所述陶瓷凸台上，所述灯丝锥a和所述灯丝锥b之间的绝缘隔板采用陶瓷板绝缘，所述灯丝通过固定卡片a和固定卡片b分别安装在所述灯丝锥a和所述灯丝锥b上。

结合上述可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，所述阳极安装于阳极水冷基板上，所述环形冷却水道设置在所述阳极水冷基板上。

结合上述可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，反射镜通过反射镜座倾斜安装在后导光管的出口端，使激光束经反射镜偏折反射后沿出口孔的轴向射出。

结合上述可能的实现方式，在第十种可能的实现方式中，所述高压绝缘子、所述偏压杯、所述上段壳体、所述灯丝卡头、所述中段壳体、所述阳极、下段壳体、聚焦线圈和所述扫描线圈同轴安装。

结合上述可能的实现方式，在第十一种可能的实现方式中，所述中段壳体上设置有分子泵接口法兰。

综上，本发明实施例的一种电子枪装置，该装置用于电子束熔丝增材制造，该装置上通过采用复合变压器组件和偏压整流电路板组件，由于经过偏压整流，可以根据实际工艺需求调节偏压，以实现束流大小的调节，即使对于大功率电子束源也能进行偏压整流调节，从而适应于对大功率电子束源的需求，在整体结构布局上更紧凑，实现了采用单芯高压电缆的接入，能够将所需的负高压导入电子枪内，有效减小了高压电缆的横截面积，提高了电子枪在真空室内运动的灵活性，满足了熔丝增材制造对大功率电子束源的需求，同时打破了国内外对大功率电子枪的垄断。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种电子枪装置的结构示意图。

图2是本发明实施例的复合变压器绕组接线的示意图。

图3是本发明实施例的一种偏压整流电路板的示意图。

图4是本发明实施例的灯丝卡头结构的示意图。

图5是本发明实施例的阳极水冷基板的剖面示意图。

图中：

1-密封顶盖；101-电缆固定座；102-水冷蛇形管；103-输入信号航插；1031-原边绕组输入导线a；1032-原边绕组输入导线b；1033-驱动信号输入导线；104-密封顶盖固定法兰；

2-复合变压器组件；201-原边绕组；202-降压绕组；203-升压绕组；204-磁芯；205-高压绝缘层；

3-偏压整流电路板组件；301-a输入端；302-b输入端；303-调压部件；304-高压隔离电路；305-滤波电路；

4-高压绝缘子组件；401-灯丝导电柱a；402-灯丝导电柱b；403-偏压导电环；404-预埋导线；

5-偏压杯；6-上段壳体；601-第一出水口；602-第一进水口；

7-灯丝卡头；701-灯丝锥a；702-灯丝锥b；703-固定卡片a；704-固定卡片b；705（706）-陶瓷凸台；707（708）-凹形柱头；709-陶瓷板；

8-中段壳体；801-分子泵接口法兰；

9-阳极；901-阳极水冷基板；902-第三出水口；903-第三进水口；904-阳极安装座；

10-下段壳体；1001-第二出水口；1002-第二进水口；

11-聚焦线圈；12-扫描线圈；13-单芯高压电缆；

14-灯丝；1401-降压绕组输出导线a；1402-降压绕组输出导线b。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“上端”、“下端”等指示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“安装”、“设置”应做广义理解，例如，可以是直接安装，也可以通过中间媒介间接安装。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了获得一种能够灵活适应真空室内大功率电子束熔丝增材制造的电子枪装置，发明人发明了一种新的电子枪装置。

图1是本发明实施例一种电子枪装置的结构示意图。

如图1所示，本发明的一种电子枪装置，用于电子束熔丝增材制造，该装置包括上段壳体6、中段壳体8、下段壳体10、单芯高压电缆13以及冷却系统。其中，单芯高压电缆13用于将负高压导入电子枪内，上段壳体6的顶端设有密封顶盖1，在该密封顶盖1上设有接入单芯高压电缆13的电缆固定座101，在上段壳体6的腔室内部设有高压绝缘子组件4，该高压绝缘子组件4与密封顶盖1之间组成一个封闭空间，在该封闭空间内充满高压绝缘油，在高压绝缘子组件4的下部设有偏压杯5，在偏压杯5内设有灯丝14，在该封闭空间内还设有复合变压器组件2和偏压整流电路板组件3，该复合变压器组件2的输入端连接逆变电源，复合变压器组件2的输出端连接偏压整流电路板组件3的输入端，偏压整流电路板组件3的输出端的正端连接单芯高压电缆13，输出端的负端连接高压绝缘子组件4，所述复合变压器组件2通过高压绝缘子组件4连接灯丝14；中段壳体8的内部设有阳极9，该阳极9与偏压杯5之间形成加速电场空间；下段壳体10的内部从上至下设置有聚焦线圈11和扫描线圈12；在上段壳体6、中段壳体8和下端壳体10的内部均设有冷却系统，用于带走工作中产生上的热量。

由上，本发明的电子枪通过采用复合变压器组件2和偏压整流电路板组件3，复合变压器组件2分别与偏压整流电路板3和高压绝缘子组件4连接，进而能将复合变压器组件2内的灯丝加热绕组的输出端的连接灯丝14，在灯丝14通电后将电能转化为热能并对阴极9进行加热，使阴极9在受热后完成电子束的发射。

由于经过偏压整流，可以根据实际工艺需求调节偏压，以实现束流大小的调节，即使对于大功率电子束源也能进行偏压整流调节，从而适应于对大功率电子束源的需求，并且在整体结构布局上更紧凑，实现了采用单芯高压电缆的接入，能够将所需的负高压导入电子枪内，有效减小了高压电缆的横截面积，提高了高压电缆的柔性，减小其弯曲半径，提高了电子枪在真空室内运动的灵活性，满足了熔丝增材制造对大功率电子束源的需求，同时打破了国内外对大功率电子枪的垄断。

其中，冷却系统包括第一水冷循环、第二水冷循环、第三水冷循环以及第四水冷循环。其中，第一水冷循环包括第一出水口601和第一进水口602，第一进水口602设在上段壳体6的下部，第一出水口601设在上段壳体6的上部；第二水冷循环包括第二进水口1002和第二出水口1001，第二进水口1002设在下段壳体10的下部，第二出水口1001设在下段壳体10的上部；第三水冷循环包括设置在所述阳极组件9上的环形冷却水道，该环形冷却水道的第三进水口903和第三出水口902均设在电子枪中段壳体8上；第四水冷循环包括水冷蛇形管102，该水冷蛇形管102的主体部分设在密封顶盖1和复合变压器2之间的空间内，水冷蛇形管102的进水口和出水口均设在密封顶盖1上。通过各水冷循环的冷却系统能够带走装置在生产制造过程中产生的热量，并且以水为冷却介质，来源方便，可以循环利用，也更清洁，通过对装置内的元器件进行降温，保障了装置的有效使用寿命。

图2是本发明实施例的复合变压器2的绕组接线示意图。

结合图1和图2所示，该复合变压器组件2包括磁芯204以及在磁芯204上绕制的彼此间相互绝缘的原边绕组201、降压绕组202和升压绕组203。其中，原边绕组201的外侧设有高压绝缘层205，降压绕组202和所述升压绕组203分别在高压绝缘层205上的两侧绕制，降压绕组202连接灯丝14，升压绕组203连接所述单芯高压电缆13和高压绝缘子组件4，原边绕组201通过设在密封顶盖1上的输入信号航插103连接逆变电源的输入端。在复合变压器组件2中，各绕组之间彼此绝缘，不会受干扰，原边绕组201、降压绕组202和升压绕组203之间的高压绝缘层205耐压强度不小于60kv，降压绕组202和升压绕组203在高压绝缘层205上分段绕制，相互间耐压强度不小于3kv。

具体地，原边绕组201的两端分别通过原边绕组输入导线a1031和原边绕组输入导线b1032连接输入信号航插10，降压绕组202的两端分别通过降压绕组输出导线a1401和降压绕组输出导线b1402连接灯丝14，升压绕组203连接整流电路板组件3。

图3是本发明实施例的一种偏压整流电路板3的示意图。

结合图1和图3所示，偏压整流电路板组件3包括由二极管组成的全桥整流电路、调压部件303和滤波电路305，其中，全桥整流电路的正输出端和调压部件串联后的电路再与滤波电路305并联，全桥整流电路上并联的a输入端301和b输入端302分别与升压绕组203的两端连接，在全桥整流电路的输出端和滤波电路305的输入端之间的电路上串联有调压部件303，调压部件303与滤波电路305之间的电路连接单芯高压电缆13，调压部件303的调节信号输入端串联高压隔离电路304，高压隔离电路304连接输入信号航插103。

具体地，全桥整流电路由二极管d01、二极管d02、二极管d03和二极管d04组成，并且二极管d01和二极管d03的公共端连接调压部件303的一端，调压部件303的另外一端连接滤波电路305的一端和负高压；二极管d02和二极管d04的公共端连接滤波电路305的另一端和偏压导电环403。将升压绕组203输出的电压进行整流、调压、滤波，调压部件303的驱动信号1033由输入信号航插103引入，偏压整流电路板3的输出端的正端连接由高压电缆13引入的负高压，负端连接高压绝缘子4。

本发明的高压绝缘子组件4为半封闭结构，具体是一端敞开，另一端封闭，其敞开端朝向密封顶盖1并形成封闭空间，高压绝缘子组件4的内部包括灯丝导电柱a401、灯丝导电柱b402、偏压导电环403和偏压导线404，降压绕组202的两端分别通过所述灯丝导电柱a401和灯丝导电柱b402连接灯丝14的两端，偏压整流电路板组件3输出端的负端通过偏压导线404连接导偏压导电环403，偏压导电403连接偏压杯5，不锈钢（或者其他能够导电、不易生锈、硬度较好的金属）的偏压导电环403浇筑在封闭结构的底端，并且在偏压导电环403上加工有安装螺纹孔。

优选地，高压绝缘子组件4的半封闭结构采用环氧树脂浇筑而成，在高压绝缘子4的半封闭结构的内壁上设有安装凸台，用于安装复合变压器组件2和偏压整流电路板组件3，灯丝导电柱a401、灯丝导电柱b402和偏压导电环403设置在半封闭结构的封闭底端，灯丝导电柱a401和灯丝导电柱b402伸出环氧树脂的头部均为圆柱形结构，该圆柱形结构的端头为沉孔结构，偏压导线404预埋设在所述环氧树脂的绝缘部分。

图4是本发明实施例的灯丝卡头7的结构示意图。

结合图1和图4所示，在偏压杯5内的空腔内设有灯丝卡头7，灯丝卡头7包括对称结构的灯丝锥a701和灯丝锥b702，其中，灯丝锥a701和灯丝锥b702均采用上宽下窄的半锥形结构，灯丝锥a701和灯丝锥b702之间设有陶瓷板709作为绝缘隔板，灯丝14安装固定在灯丝锥a701和灯丝锥b702上，在灯丝锥a701和灯丝锥b702上设有安装柱头，安装柱头为凹槽结构，用于安装灯丝导电柱a401和灯丝导电柱b402。灯丝卡头7和高压绝缘子组件4的灯丝导电柱a401、灯丝导电柱b402之间采用插拔方式快速安装；为了使灯丝卡头7与灯丝导电柱a401、灯丝导电柱b402进一步固定，在灯丝锥a701上设置一个陶瓷凸台705，在灯丝锥b702上设置一个陶瓷凸台706，灯丝卡头7可通过同一水平面的陶瓷凸台705和陶瓷凸台706安装在偏压杯5内壁上，在灯丝卡头7的收窄的锥面上设有固定卡片a703和固定卡片b704，将灯丝14通过固定卡片a703和固定卡片b704分别安装在所述灯丝锥a701和所述灯丝锥b702上，实际安装中，将灯丝14放置的到位后，一般将紧固灯丝14的两个固定片分别与灯丝锥a701和灯丝锥b702用螺丝固定。

图5是本发明实施例的阳极水冷基板的剖面示意图。

阳极9安装于阳极水冷基板901上，在阳极水冷基板901上设有环形冷却水道，环形冷却水道的第三进水口902和第三出水口903均在电子枪中段壳体8上引出。

需要说明的是，本发明电子枪装置中的高压绝缘子组件4、偏压杯5、上段壳体6、灯丝卡头7、中段壳体8、阳极9、下段壳体10、聚焦线圈11和扫描线圈12同轴安装。上段壳体6与中段壳体8的外部铰接连接，具体可以通过铰链连接，上段壳体6可绕铰接连接部位翻转用于更换所述灯丝14，中段壳体8与下段壳体10固定连接，在中段壳体8上还设置有分子泵接口法兰801，电子枪的上段壳体6与下段壳体10均为夹层结构。

电子束熔丝增材制造中，使用本发明实施例电子枪装置的电子束流产生过程为：

将灯丝卡头7安装上灯丝14，电子枪各部件安装完毕；电子枪壳体接地，当真空室内的真空度达到设计要求后，首先，水冷蛇形管102、电子枪的上段壳体6、阳极水冷基板901、下端壳体10接通冷却水；连接电子枪的分子泵启动，当电子枪内的真空达到设定值时，单芯高压电缆13将负高压导入电子枪内，负高压通过限流电阻r1、r2连接灯丝14两端，同时负高压连接到偏压整流电路板组件3输出正端；将偏压调压部件303的驱动信号给定最大，保障偏压电路工作时，偏压输出最大；逆变电源启动，将逆变信号通过输入信号航插103引入到复合变压器组件2原边绕组201；复合变压器2组件上绕制的降压绕组202将逆变交流电连接到灯丝14两端，灯丝14被加热；复合变压器组件2的升压绕组203连接到偏压整流电路板组件3的输入端，由于驱动信号1033给定最大，偏压输出最大，没有束流输出；减小驱动信号1033，直到有电子摆脱偏压的束缚，进入偏压杯5和阳极9之间的加速电场，电子由阴极向阳极加速运动，通过阳极9的孔后，进入无场空间，再经过聚焦线圈11聚焦，形成高能密度电子束流，传输到丝材及工件上；调节驱动信号，可以调整束流出束的大小，扫描线圈12的设置，是为了是电子束在工件上扫描，以实现一些特殊的工艺需求。

综上所述，本发明的一种电子枪装置，仅需要单芯高压电缆将负高压导入电子枪中，灯丝加热逆变电压、偏压整流调节信号仅需要常常规导线即可，与传统用于熔丝增材制造的直热式电子枪相比，本发明电子枪在保证最大功率输出的条件下，其运动灵活性将会大幅提升，有利于在有限的真空空间内制造出较大尺寸的零件，同时本发明的电子枪装置的成功应用还打破了国外对大功率电子枪的技术垄断。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。