张嘉，王珑，方向明，王锦群，贾庆功

（西部超导材料科技股份有限公司，陕西 西安 710018）

NbTi/Cu超导线材是目前应用最广泛和用量最大的超导材料之一，主要应用于粒子加速器、热核聚变以及生物医疗MRI等高科技应用领域。NbTi/Cu超导线材的生产过程控制复杂，合格的NbTi/Cu超导线材通常由芯数上万，直径要求为3～10μm单芯组成，生产过程繁复，要通过漫长的加工周期及相当多的加工道次的严格工艺质量控制才能完成生产。其初始生产工序是无氧铜包套的封焊工作，若是此环节出现问题，在拉拔生产过程中很难检测出来，通过成品线材的性能测试和实验才能暴露出前期生产的问题，因此无氧铜包套的封焊品质对于线材的成品率保障具有重大意义。

真空电子束焊接在焊接过程中不使用焊条，保证了焊接过程不带来其他的杂质，真空的环境也保障了物料不被氧化，同时工艺的重复稳定性好，且在焊接过程中热变形量小。通过直接或间接加热电子枪中的阴极，使其发射电子，再利用高压静电场将电子加速，同时通过电磁场的聚焦形成能量密度极高的电子束，而真空电子束焊设备就是利用这样的电子束能量，在真空的环境中，轰击焊接工件，形成热能，将工件在焊接处熔化，通过形成的熔池来实现对工件的焊接工作。高压电源对于真空电子束焊接设备的稳定性具有至关重要的作用，其性能优劣与电子束焊接工艺和焊接质量息息相关。

1 工艺技术分析

NbTi/Cu超导线材的初始生产工序是将清洗后的NbTi棒和Nb阻隔层在洁净间内，按一定规则进行组装并放置到铜包套筒体内，然后在两端加上上下端盖后进行封焊，如图1所示。

图1 铜包套组装结构示意图

对于普通铜材质的焊接，多采用氩弧焊的方式，这种方式在遇到热源不足时，通常采取预热的方式，而且氩弧焊的工作环境比较恶劣，这些在NbTi/Cu超导线材制备中不被允许。另外，无氧铜包套的封焊工作的一大难点在于，厚度20mm包套的封焊工作一次焊接在操作上难以实现，常用措施为开焊接坡口，进行多次焊接，对超导线的高品质要求来说，这也是不被允许的措施。更重要的是难以保证焊接质量，再者焊接产生的大量热量，将很可能对NbTi超导芯的性能产生影响。

由于在焊接过程中，真空电子束焊接不使用焊条，保证了焊接过程不带来其他的杂质，真空的环境也保障了物料不被氧化，同时工艺的重复稳定性好，且在焊接过程中热变形量小。通过直接或间接加热电子枪中的阴极，使其发射电子，再利用高压静电场将电子加速，同时通过电磁场的聚焦形成能量密度极高的电子束，而真空电子束焊设备就是利用这样的电子束能量在真空的环境中，轰击焊接工件，形成热能，将工件在焊接处熔化，通过形成的熔池实现对工件的焊接工作。高压电源对于真空电子束焊接设备的稳定性具有至关重要的作用，其性能优劣与电子束焊接工艺和焊接质量息息相关。

纹波系数小、稳定度高及打火时的快速自恢复都是真空电子束焊设备用高压电源的优点，纹波系数要求优于1%，稳定度达到±1%，同时还提出了重复性要求小于0．5%，以上要求均根据电子束斑和焊接工艺所决定。

图2 电子束焊高压直流电源组成框图

2 电子束焊高压直流电源的组成及工作原理

2.1 电子束焊高压直流电源的组成

此电源由15部分组成：控制高压电源的工作与否的开关控制部分；一级粗稳压的可控整流部分，用于改善轻载时逆变电路的工作环境；将母线直流逆变为高频交流的高频逆变部分；功率传输关键环节的高频升压部分；将高频高压交流整为高压直流的高频高压整流部分；采样电路、反馈电路、测量电路、指示电路、辅助电源、保护电路部分等基础控制电路部分；以及用于高压稳压专用基准源的基准电路；脉宽调节电路的PWM控制电路；用于驱动逆变模块的逆变驱动电路；用于保护逆变模块的限流采样电路。

2.2 高压直流电源工作过程及原理

本高压直流电源主要由高频逆变和高压部分两个主要环节组成。电源逆变环节采用软开关稳压电源技术，使用新型的IGBT功率器件作为功率开关，将大大降低开关损耗，电源滤波器由前级电网输入滤波器、平波电抗器以及电容组组成，极大减小了高压电源对于电网的冲击，同时也降低了直流母线上的纹波；逆变部分采用进口厚膜驱动电路驱动IGBT，此技术使直流电源保障了功率变换的更好实现，其原理如图3所示；独特的高频高压绕制工艺制成的高频变压器磁芯采用的是最新的是非晶态材料；为保障稳压精度、电源电压调整率以及高压测量精度，反馈和指示的电压信号都采用高精度的分压器，从直流高压端采样。

图3 功率变换部分原理框图

3 关键技术及其解决途径

3.1 开关电源技术

高频变压器是开关电源中的关键部分，其性能优劣影响电源本身的效率，同时会导致发热或损坏。电子束焊高压直流电源采用纳米晶软磁合金材料来制作高频变压器的铁芯，这种材料具有极高的饱和磁通密度，能够有效地减少设备的体积和重量，同时提高供电性能。

3.2 高压变压器的设计

开关电源的高压变压器磁芯通常是低磁场下的软磁材料，它拥有高磁导率和低矫顽力，以及高电阻率的特点。因为磁导率高，在一定的线圈匝数时，只要线圈上通过不大的激磁电流就能承受住较高的外加电压，所以，可以根据输出功率的要求下减少磁芯的体积。磁芯因为矫顽力低，所以磁滞面积小，造成的铁耗也少。磁芯材料电阻率高，产生的涡流就小，同时铁耗也小。采用这样材料绕制成的高压变压器，将高压变压器次级的高压线包设计成分两段，减小漏感，降低温升。

3.3 直流稳压精度

基准的精度和反馈信号的准确度对于稳压电路至关重要，电子束焊高压直流电源基准采用了DSP产生的16位DAC高精度基准，高压反馈信号用精密的分压器，由高压输出端直接采样，保证高压反馈信号的精度，精确的基准源和优质的误差比较器保证了直流高压的可靠性和稳定性。

3.4 高压打火保护电路

高压打火保护电路具有过压、过流、过热保护的功能，当电源发生过压、过流、过热故障时，报出相应的故障信号（故障信号由继电器输出，由PLC的输入点检测），并自行切断高压。过流保护，当输出电流大于电源的最大输出电流的120%时切断高压。高压部分和低压全部靠光纤隔离传输，减少其干扰。打火电路不断高压，具有高压打火的抵抗能力，可打火不坏。保护电路能在电子枪打火的同时，高速关断电源，并且能在短时间内恢复高压，重启时间优于50ms，以此来保障焊接过程的顺利工作，高压放电的保护性能良好。

针对干扰信号导致控制电路的误动作，电源保护电路设计时增加了抗干扰电路，对高压测量及电子束流的测量和取样进行了隔离，采用了光纤隔离传输技术。

3.5 电磁兼容

开关电源的功率转换及变压器本身的开关噪声都会产生共模和差模干扰信号，对电源本身及周围电子设备的正常工作造成威胁，电子束焊高压直流电源采取了以下有效措施来消除或减少其干扰的程度：

（1）加装电网滤波器以抑制传导干扰，同时也实现输入回路中差模噪声的衰减。

（2）在设备中加入各种屏蔽措施，抑制辐射干扰。

（3）在电路中适合的部位加入RC吸收回路，吸收开关尖峰。

（4）设计开关电源时，利用软开关技术，切实保证电路开关器件的零电压导通、零电流关断，以减小过高的电流电压递度所带来的严重干扰。

（5）印制板电路按照标准合理设计布局各种元器件，避免相互干扰。

4 结语

电子束焊机用高压电源具有电源稳定度高、纹波小、负载调整能力强等优点，生成的高能量密度的电子束能更好的实现无氧铜包套的焊接工作，达到焊接焊缝宽2mm，深度大于7mm的要求，同时极大的缩短了超导线铜包套端盖的焊接时间。经过实验及与电子束焊机的配套运行，该电源能较好的满足超导线材电子束焊接的要求。