книги / Электронно-лучевая сварка и смежные технологии
..pdfрую щ ей электром агнитной |
|
|
линзы (область II) и середина |
|
|
фокусирующей электромаг |
1т)Ш/Ш/ШШШМММНМ77П77т |
|
нитной линзы — минимальное |
|
|
поперечное сечение пучка в |
|
|
зоне сварки (область III). В об |
|
|
ласти I выполняют анализ тра |
|
|
ектории с учетом простран |
|
|
ственного заряда электронно |
|
|
го пучка. Оценку геометричес |
'jju n n i/iin n n T T T jm |
|
ких параметров электронного |
I |
|
пучка в кроссовере осуществ |
Р и с . 45. С е ч е н и е м е т а л л и ч е с к о й с о т о в о й |
|
ляют методом фазового па |
||
к о н с т р у кц и и д л я л е та те л ь н ы х а п п а р а т о в : |
||
раллелограмма. В областях II |
1 ,3 — л и с т ; 2 — я ч е и с т а я с т р у к т у р а |
|
и III расчет производят анали |
( с т р е л к а м и п о к а з а н ы м е с т а с в а р к и ) |
|
тически с учетом собственно |
|
го магнитного поля электронного пучка с полностью нейтрализо ванным пространственным зарядом. Форму электронного пучка в этих областях описывают следующими уравнениями:
Область II
Область I
, (140)
(141)
(142)
[U к]=В; г , а к — радиус и угол сходимости электронного пучка в кроссовере соответственно; г — текущий радиус электронного
для электронно-лучевой сварки |
111 |
tgcyio'* |
пучка; z — продольная коор |
||||
дината электронного пучка; R, |
|||||
|
|
|
а0 — начальные радиус и угол |
||
|
|
|
сходимости электронного пуч |
||
|
|
|
ка в области III; а, Ь — длина |
||
|
|
|
областей соответственно II и |
||
|
|
|
III; bQ— длина области III для |
||
|
|
|
геометрической оптики. |
||
|
|
|
Результаты расчетов по из |
||
|
|
|
ложенной схеме геометричес |
||
|
|
|
ких параметров электронного |
||
|
|
|
пучка, ф ормируемого эл ек |
||
0,80 |
|
|
троннооптической системой с |
||
|
|
UyCK=120 кВ и лантанборид- |
|||
|
|
|
|||
О |
0.2 |
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1П(А) |
ным ка тод о м |
д и а м е тр о м |
|
Рис. |
46. |
Зависимость угла |
4,7 мм, приведены на рис. 46. |
||
сходимости электронного пучка (а), |
Видно, что с |
уве л и че ни ем |
|||
положения его минимального |
силы тока электронного пучка |
||||
сечения и радиуса (б), силы тока |
его радиус rmjn возрастает, а |
||||
фокусирующей магнитной линзы (в) |
угол сходимости а п уменьш а |
||||
от силы тока электронного пучка: |
|||||
ется. Положение минимально |
|||||
1 — IM=const;2 — b=const=330 м м |
|||||
|
|
|
го поперечного сечения пучка |
||
при |
I M=const и сила тока фокусирующей магнитной линзы при |
b=const имеют максимум при 1п=0,45 А. Уменьшение b и 1м при 1п>1п объясняется преобладанием пинч-эффекта, а при 1п<1* — пре валирующим смещением кроссовера в сторону катода. Подобная
зависимость была получена экспериментально.
Для поддержания стабильного процесса сварки при регулиро вании тока электронного пучка необходимо обеспечивать a =const и пропорциональное глубине проплавления изменение b и rmin, либо b=const и rmin=const при небольших изменениях глубины проплав ления (до ±10 мм). Однако из расчетов следует, что при постоян ном уровне фокусировки электронного пучка (b=const), часто тре буемом при сварке, зависимости а п(1п) и rmin(I ) мало отличаются от аналогичных зависимостей при IM=const, т. е. на ап и ^ д о в о л ь но сильно влияет сила тока электронного пучка. Таким образом, для обеспечения a j(Ifl)=const и, если необходимо rm/n(In)=const, нужно
использовать дополнительные приемы формирования заданной
112 |
Оборудование |
конфигурации электронного пучка, например, периодическое от клонение электронного пучка с амплитудой и частотой, зависящи ми от его силы тока.
Контроль диаметра электронного пучка. Для измерения диа метра сварочных электронных пучков и распределения плотности мощности по их поперечному сечению используют хорошо извес тные датчики: прямой край пластины, вращающийся зонд из тон кой проволоки и узкую щель между двумя пластинами. Элементы датчиков, непосредственно подвергающиеся воздействию элек тронного пучка, изготавливают из тугоплавких металлов (обычно из вольфрама). Методы обработки сигналов датчиков непрерывно совершенствуют. В последние годы развит метод полного и быст рого (<5-30 мин в зависимости от требуемого пространственного разрешения и типа компьютера) анализа профиля электронного пучка с помощью компьютерной томографии [86,97,102,111 и др.). Для этого применяют высокоточный щелевой датчик либо датчик с прямым краем пластины с расположенным под ним защитным электродом (-50 В) и цилиндром Фарадея с резистором нагрузки 100 Ом. Ш ирину щели обычно выбирают в диапазоне 10-100 мкм (должна быть <0,2 г .) . Датчик помещают в массивный медный блок для обеспечения хорошего теплоотвода и соответствующего предотвращения изменения ширины щели или положения прямо го края из-за теплового расширения. Датчик вращается вокруг своей оси, а электронный пучок все время быстро (500-1200 м/с) сканирует поперек щели. Сигналы датчика регистрируются на за поминающ ем осциллографе, а затем на компьютере выполняется Фурье-анализ этих сигналов и их томографическая реконструкция (рис. 47). Такой метод анализа электронных пучков является пре красным аналитическим инструментом для разработчиков элек тронных пушек. Кроме того, этот метод позволяет переносить па раметры режима сварки с одной установки на другую. Точность контроля распределения плотности мощности электронного пучка при томографии обычно не хуже 1-3% .
Плотность тока электронного пучка, измеряемая щелевым дат чиком и датчиком прямого края, вычисляют соответственно по следующим формулам:341
(143)
для электронно-лучевой сварки |
113 |
до соприкосновения и достижения величины проходящего через эту пластину тока, равного половине тока электронного пучка. При этом измеряют полный угол отклонения электронного пучка, а за тем вычисляют расстояние D по соотношениям
D = 0 ,5 a tg a /2 , |
(145) |
'9 « „/2 = К 1 этк11, |
(146) |
где а п — расстояние между прямыми краями пластин; a — пол ный угол отклонения электронного пучка.
Контроль максимальной силы тока электронной пушки. Исполь зуя метод импульсного отпирания электронной пушки, можно конт ролировать эмиссионную способность катода электронной пушки [8]. Для этого периодически измеряют приращение силы тока Д1 пуш ки вблизи максимального значения 1тах за определенный проме жуток времени At (рис. 48). При появлении износа катода величи на AI уменьшается.
Контроль времени работы катодного узла электронной пушки.
Быстроизнашивающимися элементами электронной пушки явля ются детали катодного узла: катод и подогреватель. При промыш ленной эксплуатации сварочной пушки важно точно определить выработку ресурса катодного узла.
Срок службы катода электронной пушки характеризует степень его разрушения от электронной бомбардировки со стороны подо гревателя и ионной бомбардировки со стороны анода, когда су щественно изменяются заданные эмиссионная способность и ка чество пространственно-энер гетических параметров элект- р о н н о го пучка . Степень нагрева и скорость разруше ния катода прямо пропорцио нальны силе тока его бомбар дировки (напряжение бомбар д ировки постоянно) и силе тока электронного пучка (уско ряющее напряжение постоян но). Паспортный срок службы катода и подогревателя обыч но определен для оптималь ного значения силы тока бом бардировки, обеспечивающего
для электронно-лучевой сварки |
115 |
ограничение эмиссии пространственным зарядом, и максималь ного (паспортного) значения силы тока электронного пучка. По скольку режим бомбардировки регулируют в процессе подготов ки к сварке, а сила тока электронного пучка в период работы элек тронной пушки непостоянна по условиям технологического процес са, то реальный срок службы катода отличается от паспортного.
Для контроля реальной выработки срока службы катода и по догревателя необходимо определять приведенное время их ра боты [9], т. е. время, за которое происходит такая ж е потеря харак теристик при оптимальной силе тока бомбардировки и максималь ной силе тока электронного пучка. Для этого в течение каждого периода A t работы электронной пушки нужно измерять и фикси ровать в функции времени силу тока электронного пучка, силу тока бомбардировки катода и силу тока накала подогревателя, а затем приведенное время вычислять по следующим соотношениям:
t k i= ^ |
] U |
t 6 i= f |
j i 6d t tr i = |
- L |
j i 11d t |
(147) |
•Чюкс |
0 |
Або |
0 |
Аи0 |
0 |
|
Общее время работы катода и подогревателя электронной пуш ки определяют формулы:
* ,ат = к , 2 > м + к 2 £ 1« + к з Е 4™. |
(148) |
||
i |
i |
i |
|
^подогр — ^ 4 |
^ 6 i |
^ 5 ^ t n j |
(149) |
Здесь приняты следующие обозначения: 160,16 — соответствен но оптимальное и текущее значения силы тока бомбардировки ка тода; 1н0,1н — соотвественно оптимальное и текущ ее значения силы тока накала подогревателя; kr ..k5— весовые коэффициенты, зависящие от конструкции катодного узла электронной пушки.
Для катодов с косвенным подогревом при нагреве электронной бомбардировкой kg=1; kg=0; k5=1, если бомбардировка и накал вклю чаются и выключаются одновременно и к2=1; 1 >к3>0; к5=1, если бом бардировка и накал включаются и выключаются неодновременно.
При нагреве катода излучением подогревателя 1^=0; k4=0; кд=1; к5=1. Для прямонакальных катодов k4=0; kg=0; к2=0; к3=1.
116 |
Оборудование |
Коэффициент к 1 определяет степень разрушения катода со сто роны анода (т. е. степень ухудшения его эмиссионной способнос ти) и зависит от материала катода, степени разрежения в ускоря ющем промежутке, диаметра отверстия в аноде, наличия ловуш ки пара и газов из сварочной ванны, а в случае ее отсутствия и от свариваемого материала.
Для сварочной пушки энергоблока ЭЛА-15 или ЭЛА-60/60 (бом бардировка и накал включаются одновременно), имеющей лантанборидный катод, дифференциальную откачку, но не имеющей ловушки парогазового потока, общее время работы катода
(150)
а время работы подогревателя катода:
^1подогр”- ^ 4 |
. |
(151) |
Для энергоблока ЭЛА-60/60 весовые коэффициенты в соотно шениях (150) и (151) определены экспериментально: ^=3,09; к4=0,84.
Электромеханический комплекс
Электромеханический комплекс сварочной установки предназна чен для выполнения всех сварочных, установочных и транспортных перемещений свариваемых изделий и электронной пушки. В состав комплекса входят манипуляторы свариваемого изделия, манипуля тор электронной пушки, устройство транспортировки свариваемого изделия и соответствующие системы электропитания и управления.
В качестве манипуляторов свариваемого изделия применяют, как правило, несложные сменные манипуляторы:
■двухкоординатные столы в горизонтальной или вертикаль ной плоскостях;
■вращатели с горизонтальной, вертикальной, наклонной или изменяемой осями вращения;
■вращатели барабанного типа.
На базе электронных пушек, перемещаемых в вакуумной ка мере, создают обычно сварочные блоки, включающие (кроме пуш ки) устройства для ориентации ее относительно свариваемого сты ка, механизм подачи присадочного материала, устройство наблю дения и освещения и иногда вакуумный насос для дифференци альной откачки из области электронного прожектора сварочной пушки. Манипулятор электронной пушки или сварочного блока
для электронно-лучевой сварки |
117 |
|
имеет от одной до пяти степе |
|
|
ней свободы в зависимости от |
|
|
размеров и назначения сва |
|
|
рочной установки. Такой ма |
|
|
нипулятор устанавливают либо |
|
|
на потолке вакуумной камеры, |
|
|
либо на ее боковой стенке, |
|
|
либо на подвижном или непод |
|
|
вижном портале (рис. 49). |
|
|
Устройства транспортировки |
|
|
свариваемого изделия служат |
|
|
для ручного перемещения по |
|
|
рельсам вне вакуумной каме |
|
|
ры, т. е. для выполнения загру |
|
Р и с . 4 9 . С х е м а п я т и к о о р д и н а т н о г о |
зочно-разгрузочных операций. |
|
м а н и п у л я т о р а э л е к т р о н н о й п у ш к и д л я |
Такие устройства представляют |
|
с в а р к и к р у п н о г а б а р и т н ы х и з д е л и й : X , |
собой откатные тележки соответ |
|
У, Z — д е к а р т о в ы к о о р д и н а т ы |
ствующей грузоподъемности. |
|
д в и ж е н и я ; <р,\у — к о о р д и н а т ы |
Все манипуляторы должны |
|
в р а щ е н и я в о к р у г с о о т в е т с т в е н н о о с и Z |
||
обеспечивать вы сокоточное |
||
и о с и , п е р п е н д и к у л я р н о й к о с и Z |
||
|
перемещ ение (в диапазоне |
±0,01-0,05 мм), иметь датчики перемещений и концевые выклю чатели. Исходя из условий работы в вакууме, необходимо исполь зовать бесконтактное электрооборудование: асинхронные, синх ронные и шаговые электродвигатели; бесконтактные сельсины, фо тодатчики, тахогенераторы; индукционные или емкостные конце вые выключатели.
В случае применения в вакуумной камере двигателей постоян ного тока (со скользящими контактами) их нужно помещать в гер метичные кожухи, внутри которых должен находиться воздух при нормальном атмосферном давлении.
Во многих случаях многокоординатные манипуляторы удобно создавать на базе модулей линейного и углового перемещений.
Системы электропитания и управления манипуляторов долж ны обеспечивать три режима работы: позиционирование, свароч ный, маршевый. Для этого необходимо иметь широкий диапазон плавной регулировки скорости линейного перемещения и вращ е ния (до 1:10000).
Вакуумный комплекс
Вакуумный комплекс служит для герметизации и вакуумирова ния рабочего объема.
118 |
Оборудование |
Вакуумные камеры имеют обычно прямоугольную (параллеле пипеды и кубы) или цилиндрическую форму. Их изготавливают из конструкционных или нержавеющих сталей, титановых сплавов или полимербетона. Конструкция камер должна обеспечивать:
■наблюдение за рабочей зоной через иллюминаторы;
■необходимую прочность и жесткость относительно атмос ферного давления и навесного оборудования;
■герметичный ввод электронной пушки, электрических сое динений, механических валов и датчиков вакуума;
■люки, крышки или двери для загрузки и выгрузки изделий и обслуживания внутрикамерного оборудования;
■защиту персонала от рентгеновского излучения.
Откачные системы включают в себя вакуумные насосы, затво ры, клапаны, вакуумпроводы, вентили, датчики. В табл. 21 приве дены наиболее распространенные схемы откачных систем [77]. Схему I используют при сварке в высоком вакууме в относитель но небольших камерах. Она состоит из насоса предварительного разрежения 1 и диффузионного насоса 6, снабженного вакуумным затвором 7 и угловым патрубком 8. Для измерения давления на выходе насосов и напуска в них воздуха предназначены датчики 3 и вентили 2. На выхлопном патрубке диффузионного насоса уста новлен предохранительный клапан 5 с электромагнитным приво дом, который защищает систему от аварийного прорыва атмос ферного воздуха со стороны насоса предварительного разреже ния при его аварийном отключении. Предварительную откачку воздуха из камеры выполняют через вакуумпровод, который соеди нен с угловым патрубком и имеет диаметр, равный или даже боль ший, чем впускное отверстие насоса предварительного разреже ния. На вакуумпроводе углового патрубка устанавливают затвор 4. Параллельно основному вакуумпроводу в обход затвора 4 мон тируют «байпасную» линию откачки малого диаметра, которая так ж е снабжается вакуумным затвором (или клапаном) 4. Эта линия необходима в начальный момент откачки для ограничения потока газа из камеры в насос предварительного разрежения. При этом затвор основного вакуумпровода закрыт. После снижения давле ния в камере до 6,65-10_1- 1 ,33*10-2 Па открывается затвор основ ного вакуумпровода. При давлении в системе примерно 9,31 -10-3 Па и разогретом диффузионном насосе можно открывать клапан 5, зак рывать затвор 4 основного вакуумпровода предварительного раз режения и открыть затвор 7, отделяющий диффузионный насос от углового патрубка. В таком положении происходит откачка системы
для электронно-лучевой сварки |
119 |
Таблица 21. Схемы откачных систем
Номер |
С хем а откачной системы |
П редель |
схемы |
|
ное |
|
|
д ав л е |
|
|
ние, Па |
|
|
6,65-10'3 |
6,65-10-3
в эм исси онной систем е пуш ки;
1,33-10 -1,33-1 о-3
в в а к у
умной кам ере
II I |
6,65-10'3 |
|
в э м и сси |
|
онной |
|
систем е |
|
пуш ки; |
|
(1,33- |
|
-6,65)-10"1 |
|
в в а ку у м |
|
ной |
|
кам ер е |
П р и м е нен ие
Для с в а р ки
ввы соком
ва к у у м е
Для с в а р ки
в в а ку у м е
сдиффе
ренциальной
о тка ч ко й
Д л я о тка ч ки больш их объ ем ов
120 |
Оборудование |