伴随着我国航空、航天等领域技术的飞速发展,越来越多的新型材料希望能够通过焊接的形式进行连接,对焊缝质量的要求也在不断提高。电子束焊接技术作为近几十年新发展起来的一种熔化焊接方法,其焊缝深宽比大、变形量小、能量密度高等一系列特点正好满足现代工业焊接的需要。然而我国在航空、航天等重要领域使用的电子束焊机严重依赖进口,原因是国内电子枪的束功率太小无法满足焊接厚截面零件时的要求。所以研制大功率电子枪是非常有必要,也是具有重大应用价值的一件事。本文大功率电子枪的设计思路是在原6kW/60kV直热型焊接用电子枪结构的基础上进行研究,找到能够提高束功率的方法。首先,以电子光学与精密机械理论作为依据,借助有限元分析软件SOURCE来模拟电子束的形成轨迹,并根据模拟结果与理论计算,来证明电极形状及相关结构的合理性,从而研制出一种能够产生15kW束功率的电极结构。其次,对影响电极的几个重要参数进行了研究,这其中包括：阴极发射面积、阴阳极距离、栅偏电压,并找出了其中的一些影响规律。束斑直径是评价电子枪性能的一个重要指标,本文对影响电子束束斑的几个重要物理因素进行了探讨,通过相应的理论计算,证明了实际电子束束斑在合理的范围之内。再次,绘制了新电子枪的整体三维模型,由高电压绝缘水冷装置、静电透镜、涡轮分子泵系统、光学观察系统、隔离阀、磁透镜组成。电子枪结构设计中,最大的难点在于静电透镜(即电极结构)的设计,这其中包括：阴极发射面积的选择、阴阳极距离的计算、栅帽与阳极的调整以及栅帽形状的变化等等。由于电子束功率密度的提高,电子枪在长时间工作后会导致阴极与阳极发热严重,为防止阴阳极温度上升过高而导致其变形,需要增加相应的阴极与阳极的水冷系统。针对原先光学观察系统的镜片易于被金属蒸汽污染的问题,本文提出了一种新的结构使得镜片的更换周期得到大幅度的延长。最后,将研制出的15kW/60kV的电子枪放置于实验型电子束焊机上,通过一系列的焊接实验表明,该电子枪的焊接质量、真空度等各项性能参数达到设计要求,而且在长时间的焊接过程中未出现异常现象,系统稳定性高。