一种多电子束中心送丝的电子束加工系统及加工方法

摘要

本发明公开了一种多电子束中心送丝的电子束加工系统及加工方法，包括：多个电子束枪和送丝系统，所述电子束枪包括电子束发生系统、电子束加速系统、电子束聚集系统和电子束偏转系统，所述送丝系统包括送丝管和送丝嘴，所述送丝嘴连接于送丝管下部，所述送丝管和送丝嘴设于结构中心轴线上，所述多个电子束枪沿中心轴线圆周平均点阵分布。本发明可以保证电子束在工件表面的各向同性，提高加工工件质量的均匀性，加工过程连续不间断，电子束枪结构与中心送丝结构互不干涉，适用于电子束焊接，电子束熔覆及电子束金属3D打印等电子束加工领域。

说明书

技术领域

本发明属于电子束加工领域，可用于电子束焊接，熔覆及金属3D打印等加工过程，特别提供一种多电子束中心送丝的电子束加工系统及加工方法。

背景技术

电子束加工的原理：是电子束和所需熔化的金属材料同时传送至加工位置，使得金属材料在工件表面均匀，准确，连续不间断，所输送的金属材料在电子束的打击下熔化并形成熔池，完成材料的快速熔化及快凝的过程，从而实现电子束的焊接，熔覆及金属3D打印等加工过程。国内外主要采用重力送粉和侧向送丝的方式。

如图3所示，为比较典型的重力送粉结构，重力送粉装置包括在电子束枪1侧面平均分布的送粉管8，为保证送粉速率的均匀性，还设有振动器或旋转式流量控制器9及储粉容器10。在加工过程中，电子束3经过加速聚焦后打到工件5表面，动能转化为热能，工件5表面形成熔池6，同时送粉器将粉末11送入熔池6内。重力送粉器的成本低，制作简单，控制操作容易，同时能够保证电子束在沿不同方向扫描时加工效果的一致性，因此在电子束加工过程中较为常见，但是重力送粉器无法精确控制送粉的均匀性，并且粉末利用率也很低，经常会出现堵粉的现象，需要破开真空进行清理，这大大提高了真空下加工工件的成本，未熔化的粉末黏在工件表面从而影响工件的加工质量，这些缺点都是急待解决的问题。

如图4所示，与重力送粉方式相比，侧向送丝装置能够精确控制送入金属材料的均匀性，材料利用率提高，而且丝材12的价格成本相对粉末也较低，侧向送丝系统大大改善了重力送粉的诸多缺点。侧向送丝系统也存在较大的缺点，在加工过程中，电子束3经过加速、聚焦、偏转后打到工件5表面，形成熔池6，同时与电子束成一定角度的原送丝系统13将丝送入熔池6内。由于电子束束斑的能量分布的不均匀性，丝材在熔池内所得到能量不同，从而导致熔池凝固的形状，尺寸，表面粗糙度等的不同，大大影响工件的加工质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多电子束中心送丝的电子束加工系统及加工方法，实现多个电子束枪沿中心轴线圆周平均点阵分布，保证在加工过程中，电子束在不同方向上能量分布的均匀性及加工质量的一致性，金属丝材与电子束的对准更加容易，加工过程中送丝系统与电子束系统互不干涉，加工过程连续稳定。

本发明的技术方案是：一种多电子束中心送丝的电子束加工系统，包括：多个电子束枪1和送丝系统2，所述电子束枪1包括电子束发生系统1a、电子束加速系统1b、电子束聚集系统1c和电子束偏转系统1d，所述送丝系统2包括送丝管2a和送丝嘴2b，所述送丝嘴2b连接于送丝管2a下部，所述送丝管2a和送丝嘴2b设于结构中心轴线上，所述多个电子束枪1沿中心轴线圆周平均点阵分布。

优选的，所述电子束枪1数量为2个、3个或4个。

优选的，所述电子束聚集系统1c包括1个或多个聚焦线圈。

优选的，所述电子束偏转系统1d包括1个或多个偏转线圈。

优选的，所述电子束加工系统还包括控制箱，所述控制箱内设有辉光放电电源、高压电源、聚焦电源和偏转电源。

一种电子束加工方法通过电子束发生系统1a产生大量电子，电子束3经过永磁体4聚焦后再经过电子束加速系统1b加速，加速后的电子束再经过电子束聚集系统1c和电子束偏转系统1d进行聚焦及偏转后从电子束枪1中发出，打到工件5上的一点，将动能转化为热能，从而形成熔池6，金属丝7通过送丝管2a及送丝嘴2b送入熔池6中，多电子束中心送丝的电子束加工系统固定不动，通过工作平台或机械手的运动来实现电子束的加工过程。

本发明具有以下有益的效果：

本发明可保证工件表面形成熔池时的熔池内的能量分布均匀性较好，结构简单，操作控制容易，维修维护成本低，电子束与送丝系统互不干涉，可确保加工的顺利稳定运行。

附图说明

图1为本发明电子束加工系统的剖面结构示意图；

图2为本发明中电子束枪的结构图；

图3为现有重力送粉装置剖面结构示意图；

图4为现有侧面送丝装置剖面结构示意图；

图中：1、电子束枪；1a、电子束发生系统；1b、电子束加速系统；1c、电子束聚集系统；1d、电子束偏转系统；2、送丝系统；2a、送丝管；2b、送丝嘴；3、电子束；4、永磁体；5、工件；6、熔池；7、金属丝；8、送粉管；9、振动器或旋转式流量控制器；10、储粉容器；11、粉末；12、丝材；13、原送丝系统；14、中线轴线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

如图1-2所示，一种多电子束中心送丝的电子束加工系统，包括：多个电子束枪1和送丝系统2，电子束枪1包括电子束发生系统1a、电子束加速系统1b、电子束聚集系统1c和电子束偏转系统1d，送丝系统2包括送丝管2a和送丝嘴2b，送丝嘴2b连接于送丝管2a下部，送丝管2a和送丝嘴2b设于结构中心轴线上，多个电子束枪1沿中心轴线圆周平均点阵分布。

电子束发生系统1a由空心阴极和柱形阳极组成，向空心阴极中通入气体，气体在低压作用下辉光放电产生电子，电子束加速系统1b由发射阴极及发射阳极组成，在他们之间加上高压(30KV)可将跑出空心阴极的电子加速，电子束聚集系统1c的聚焦线圈为将加速电子聚焦为一个点，从而达到将能量聚焦到一个点，电子束偏转系统1d的偏转线圈为将所聚焦电子做偏转处理，从而使电子束能够准确的打到所加工工件的加工位置及送丝位置。

电子束加工系统还包括控制箱，控制箱内设有辉光放电电源、高压电源、聚焦电源和偏转电源。

基于以上电子束加工系统的电子束加工方法为：通过电子束发生系统1a对气体放电产生大量电子，电子束3经过永磁体4聚焦后再经过电子束加速系统1b加速，加速后的电子束再经过电子束聚集系统1c进行两次聚焦后进入偏转区域，再经过电子束偏转系统1d进行一次偏转后，电子束3从电子束枪1内跑出，轰击到工件5表面，高速电子的动能转化为热能，从而使工件5的表面熔化并在送丝嘴2b下形成熔池6，同时金属丝7通过送丝管2a及送丝嘴2b送入熔池6中，多电子束中心送丝的电子束加工系统固定不动，通过工作平台或机械手的运动来实现电子束的加工过程。

加工过程中驱动系统按照所需打印工件的形状驱动四轴加工平台运动，送丝系统2将金属丝7送入熔池6内，连续均匀不间断，由于由两枪及以上电子束枪1同时扫描金属丝7，使丝材在多电子束3的中心能量均匀区内，金属丝7所接收热量较均匀，从而保证所打印金属各个部位质量的一致性，逐层打印沉积，从而实现金属3D打印成型。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。