單線橫渦式電子束聚焦線圈聚點束斑試驗研究

蔡樹立，張向東，張建飛，陳磊豪，莫力林

（1.桂林獅達技術股份有限公司，廣西 桂林541004；2.桂林電子科技大學，廣西 桂林541004）

0 前言

一般電子束是指利用電子槍中陰極所產生的電子通過陰陽極間的高壓加速電場作用下被加速至很高的速度（0.3~0.7倍光速），再經透鏡會聚作用后，形成密集的高速電子流[1]。近年來隨著技術要求的拓展，電子束技術在表面毛化、輻照殺菌、電子束焊接、增材快速制造等方面得到了廣泛的應用[2-3]。電子束增材制造技術在國內外具有兩大種類：一是電子束熔粉增材制造技術（EBSM）；二是電子束熔絲增材制造技術（EBFDM）[4-5]。2008年HARRYSSON 等人介紹使用電子束熔化技術（EBSM）快速制造機理，并討論了制造薄壁零件的材料特性和微觀結構，并與傳統的機加工部件進行了比較，最后制造出了網狀多孔材料[6]。2015年楊波等人控制多極靴型偏轉掃描線圈骨架的內牙數量通過ANSYS仿真內部磁場并設計出了高頻均勻磁場輸出的偏轉掃描線圈[7]。2018年葉禹豪等人對電子槍聚焦部件建立了CST仿真模型，其仿真結果發現聚焦部件的結構直接決定束斑能量密度和束流半徑大小及品質[8]。

電子束普通焊接工作中聚焦距離的遠近對焊接性能影響并不太明顯，但是電子束粉末熔化成形中顯得格外的重要。在國內外大多數對聚焦線圈的磁場產生及品質的研究比較多，但其電子束穿過磁透鏡后究竟有什么樣的規律從未提及。所以本文將采集電子束通過磁場后的不同聚焦距離下的聚焦束斑進行了比較研究。

1 試驗與方法

1.1 試驗原理

為了尋找電子束熔粉設備的單線橫渦式線圈在不同聚焦距離d下的聚焦電流和束斑直徑，本文試驗以觀察法和銅膜截束法獲得了更精確聚焦電流。試驗第一個聚焦距離d為610 mm，自起始點每78 mm標定一個位置作為試驗工作位置點，具體為610、532、454、376、298 mm。本文截束法以 0.2 mm 厚的紫銅帶（牌號為T2）為收集電子束的材料，在規定的聚焦距離位置上夾置。為了模擬打印過程中的束斑大小，本文動態掃描出4個點，每一點上的電子束作用時間為0.1 s，在0.4 s打印完成，電子束發生器高壓為60 kV，陰陽極距離為17.8 mm，試驗電子槍工作原理如圖1所示。然后將銅膜上的每一孔的最大直徑和最小直徑進行測量，取平均值作為該聚焦電流下的束斑直徑，如式1所示。

式中φ為束斑直徑，mm；φmax為銅膜上的熔孔最大直徑，mm；φmin為銅膜上的熔孔最小直徑，mm。為了綜合評價束斑品質再對其束斑的圓度進行的對比分析計算公式如式2所示。

圖1 試驗電子槍工作原理圖

1.2 試驗設備與方法

試驗設備電子槍為獅達公司自制的M176電子槍，相關參數如表1所示。試驗前先用肉眼找到靜態大概聚焦電流，然后動態偏掃的方法打點，結構原理圖如圖1所示。試驗中首先肉眼觀察其束斑的亮度大小和迸濺物的多少來鎖定初始聚焦值，在該聚焦值的基礎上動態偏轉掃描出4個點，然后基于初始聚焦電流間隔1 mA的相鄰聚焦電流下的束斑點打印出來進行比較。通過比較得出聚焦電流值記錄下來作為第一聚焦電流，最后再打印出第一聚焦電流相鄰0.5 mA的束斑點，其中銅膜上打出最小空洞的聚焦電流作為了該單線橫渦式線圈該聚焦距離的最佳聚焦電流。本文試驗單線橫渦式線圈的匝數為3225，電阻值為119 Ω，由0.5 mm包漆銅絲單向渦旋而制。

表1 M176電子槍參數

2 結果與討論

2.1 不同聚焦距離下的聚焦電流

近年來電子束選區熔粉技術（EBSM）是快速成形制造的主要方法之一，該技術是高能量密度電子束來熔化粉末逐層沉積而成的。若使電子束的能量密度高，聚焦線圈的聚焦能力務必強，得出的束斑又小又圓才行。但實際工作中通過肉眼觀察得來的聚焦電流未必是最佳聚焦電流值也發揮不了該設備的功能最大化。為了獲得不同聚焦距離下的聚焦電流，用肉眼觀察了已選定位置上的初始聚焦電流，在進行銅膜截束試驗獲得了更精確的聚焦電流，試驗結果如圖2所示。

圖3 是同一偏轉角度0.5°，同一束流電流8 mA，同一下束時間0.4 s下的不同聚焦距離下的聚焦電流。從圖3可以看出，隨著聚焦距離的變小4個點之間的距離有等比例縮小的趨勢，試驗過程中銅膜非電子束擊打位置保持完整沒有熔塌現象。在試驗過程中首先用肉眼觀察鎖定聚焦電流大概范圍再進行鎖定線圈最佳聚焦電流的。其肉眼觀察得到初始聚焦電流IF0和銅膜截束得到的最佳聚焦值IF對比如表2所示。

表2 不同聚焦距離下的聚焦電流

在表2中的第一IF1指的是基于初始聚焦電流IF0間隔1 mA的聚焦電流，最佳IF指的是基于第一IF1間隔0.5 mA的聚焦電流。結合圖3和表2可以看出，肉眼觀察得到的聚焦電流并非是該線圈的最佳聚焦電流，絕對誤差3 mA左右，從而該條件下的束斑直徑也不是最小。原因在于肉眼觀察來尋找聚焦觀察的是電子束在基板上的光點的強弱和迸濺物產生量的大小來定的，電子束一旦接觸基板后熔化局部金屬加之人員操作帶來的下束時間過長直接影響肉眼觀察的結果。為了找到聚焦距離和聚焦電流的數學關系對聚焦電流值進行的數據擬合，如圖3所示。

圖3 聚焦距離與聚焦電流數據擬合

從圖3看出，聚焦電流隨著聚焦距離的變小以冪函數的形式增長，其擬合度為0.9957。原因在于該線圈磁隙部位的非均勻磁力梯度隨著繞組的電流變化呈非線性變化所致。若實現近距離聚焦就需要加大線圈電流，反之降低聚焦電流。所以不同線圈電子束聚焦特性研究中獲得該關系曲線可以便捷、精確地算出其聚焦電流，無論在電子束增材制造和電子束焊接工程應用中都有重大的意義。

2.2 不同聚焦距離下的束斑直徑

電子束的磁聚焦系統特征可以以光束通過凸鏡之后聚焦原理來理解，也就是電子槍的光學特性。該試驗電子槍陰極使用面積為1 mm×1 mm、厚度為0.1 mm的V型鎢質燈絲。在電子槍光學研究中電子束靜電聚焦得出的電子束束腰為實像，通過磁聚焦獲得的束斑為虛像。為了找到指定位置上的最小束斑直徑，測量了該聚焦距離處聚焦電流下的銅膜熔孔最大直徑dmax和最小直徑dmin，如圖4所示。從圖4可以看出，電子束打出來的熔孔并非是正圓，而且從熔孔邊緣看出銅膜熔化擴大的痕跡，所以真正的束斑直徑肯定是小于孔徑的，因此試驗只反應聚焦電流下的束斑的最大可能性直徑。只因銅膜厚度小，作用時間短，因此一定程度上反映了熔孔直徑大小。觀察中發現束斑不圓的原因在于，電子束光學實像是正方形，因此通過磁透鏡后的虛像也不是正圓。在不同聚焦距離同一方向上的熔孔最大直徑和最小直徑出現的位置不一樣，從而該試驗直接證明了電子束通過磁透鏡后在漂移空間中螺旋前進的。觀察還可以發現，同一聚焦電流下偏轉4處0.5°的4孔的最大直徑和最小直徑出現的位置也不一樣。原因在于該單線橫渦式聚焦線圈通過偏轉之后會產生像散，從試驗推導出偏轉角度越大像散也越大。為了數量上研究圖4將其試驗聚焦距離下的聚焦電流束斑直徑和圓度誤差的平均值通過式1、式2計算出來羅列在表中，如表3所示。

圖4 銅膜截束試驗熔孔圖

表3 不同聚焦距離下的聚焦電流

從表3可以看出，隨著聚焦距離的變小束斑直徑也變小，本試驗d=298 mm處束斑直徑最小，4個熔孔的平均直徑為0.471 mm。而圓度誤差在聚焦距離處平均值變化的一致性不高，誤差最大處是d=376 mm處，其后隨著距離的變大而變小的趨勢。近聚焦束斑小的原因在于電子束本身就是帶負電的電子群體定向運動，同名相斥從而隨著空間漂移距離的變長其聚集效果變差。近聚焦數據計算出圓度誤差突然變小，從圖明顯看出整個區域內的能量分布不均勻，有局部過于熔化的現象。從綜合評價看，近聚焦情況下雖然電子束匯聚得好但束斑品質并不高。本文綜合考慮熔粉成形電子束能的均勻性和高密度性以聚焦線圈中心離637 mm處作為了該實驗條件下最佳工作距離。

3 結論

（1）肉眼觀察到的聚焦狀態下的束斑并非最佳的聚焦狀態，與最佳電流之間相差3 mA左右。擬合發現，不同聚焦距離下的聚焦電流值隨著聚焦距離的變小聚焦電流以冪函數的形式增長。（2）觀察束斑熔孔的最大直徑和最小直徑出現的位置發現，試驗聚焦線圈在偏轉打印中有虛像不可轉變現象和像散現象，本文建議使用多線圈多重聚焦可消除這些現象有利于提高束斑品質。（3）對比不同聚焦距離下的最小束斑大小發現，隨著聚焦距離的變小聚焦電流下的束斑直徑也變小，但其束斑能量分布均勻性變差。（4）本文試驗條件下的最佳熔粉打印工作距離為離聚焦線圈中心的637 mm處，并提出的試驗方法對電子束熔粉成形工程的工作距離的選擇提供了指導性的依據。