книги / Электронно-лучевая сварка и смежные технологии
..pdfобеспечивать сканирование электронного пучка по задан ной траектории.
Э лектронны й прожектор является высокоточным узлом и требует тщательной сборки и эксплуатации [39]. Оптималь ные межэлектродные рассто
яния для |
получения м акси |
|
|
м ал ьны х |
(с |
зап асом 20% ) |
|
токов электронного пучка в |
|
||
сварочных пушках типа ЭЛА |
|
||
(60 кВ -6 0 |
кВт) приведены в |
|
|
табл. 9, а в сварочных пушках |
|
||
типа У Л 119 — |
на рис. 22 и в |
|
|
табл. 10. |
|
изолирования |
|
С истем а |
|
||
предназначена для обеспече |
|
||
ния надежной работы электрон |
|
||
ного прожектора, катодный узел |
|
||
которого находится под высо |
|
||
ким потенциалом, и абсолютной |
|
||
безопасности для обслуживаю |
|
||
щего персонала. Эта система |
Рис. 21. Гэометрия электронного |
||
включает высоковольтный кера |
прожектора сварочной пушки ПЛ100 |
||
мический или стеклянный изоля |
(класса 60 кВ -6 0 кВт, термокатод с |
||
тор (рис. 23), являющийся одно |
косвенным подогревом), разработанная |
||
временно несущим элементом |
в И Э С им. Е. О. Патона: 1 — катод; 2 — |
||
прикатодный электрод; 3 — анод; 1=7 м м |
|||
для катодного узла, вспомога |
для dK = 4,2 мм; 1= 7,8 м м для dH= 5 ,2 мм |
||
тельный изолятор между высо |
|
ковольтным изолятором и ме таллическим корпусом электронной пушки, герметичный узел
масляной изоляции высоковольтного ввода питания электронного про жектора.
Система охлаждения служит для отвода теплоты, выделяющейся:
■в катодном блоке при подогреве катода;
■на аноде и лучепроводе из-за оседания части электрон
ного потока; ■ на нижнем фланце электронной пушки из-за воздействия
излучения и паров из сварочной ванны.
В качестве охладителя обычно используют воду.
для электронно-лучевой сварки |
51 |
Таблица 11. Характеристики основных классов электронных пушек
Класс |
Ускоряющее |
Максимальная |
Основное назначение |
|
напряжение, кВ |
мощность |
|
|
|
электронного |
|
|
|
пучка, кВт |
|
Низковольтный |
20 -35 |
0,5 -1 5 |
Сварка в высоком вакууме; |
|
|
|
прецизионная микросварка. |
|
|
|
Сварка металлов толщиной |
|
|
|
1 -30 мм |
Средневольтный |
50 -70 |
0,5 -6 0 |
Сварка в высоком вакууме и |
|
|
|
форвакууме; прецизионная |
|
|
|
микросварка. Сварка металлов |
|
|
|
толщиной 0,1 -1 0 0 мм |
Высоковольтный |
100 -150 |
1,5-120 |
Сварка в высоком вакууме, |
|
|
|
форвакууме и вне вакуума; |
|
|
|
прецизионная микросварка. |
|
|
|
Сварка металлов толщиной |
|
|
|
0 ,1 -200 мм; вневакуумная |
сварка металлов толщиной 1 -15 мм
Таблица 12. Технические характеристики малогабаритных свароч ных электронных пушек, разработанных в ИЭС им. Е. О. Патона
Параметр |
|
Тип пушки |
|
|
П Л -6 0 |
П Л -61 |
П Л -6 2 |
Ускоряющее |
60 |
35 |
30 |
напряжение, кВ |
|
|
|
Максимальная |
15 |
3,5 |
3,0 |
мощность, кВт |
|
|
|
Диапазон рабочих |
10-120 |
10-120 |
10 -70 |
расстояний от пушки до |
|
|
|
поверхности |
|
|
|
свариваемого изделия, |
|
|
|
мм |
|
|
|
Размеры, мм: |
|
|
|
длина |
490 |
535 |
150 |
максимальный |
98 |
72 |
76 |
поперечный размер |
|
|
|
Масса, кг |
8 |
5,5 |
2,5 |
52 |
Оборудование |
Конструктивно катодный узел электронной пушки с системой изолирования составляют катодный блок, а анодный узел, системы фокусировки и отклонения — анодный блок. Эти блоки охлажда ются отдельно и являются разъемными элементами электронной пушки. При этом обеспечен доступ к катодному узлу электронной пушки для замены быстроизнашивающихся частей: катода и подо гревателя.
Термокатод сварочной электронной пушки работает в небла гоприятных условиях: пары из сварочной ванны постепенно отрав ляют его, а положительные ионы пара еще и ускоряются в элект ронном прожекторе и бомбардируют поверхность катода. Поэтому в сочетании с частой разгерметизацией сварочной камеры повер хность катода постепенно разрушается, падает его эмиссия и на
рушается геометрия электрон |
|
|
|
|
||||
н о го |
п у чка . |
С р о к |
служ бы |
|
|
|
А |
|
катодов в зависимости от ре |
|
|
‘ |
.2 |
||||
ж им а их эксплуатации состав |
|
|
||||||
ляет 3-100 ч. Срок службы по |
|
|
|
,3 |
||||
догревателя — в несколько |
|
|
|
|||||
раз больше. Термокатоды сва |
|
1 1 |
|
А |
||||
рочных пушек изготавливают |
|
|
|
^ 5 |
||||
обычно из вольфрама, лантан- |
|
|
|
|
||||
борида (LaB6) и тантала, а по |
1 |
|
|
,.6 |
||||
догреватели — из вольфрамо |
|
p |
' i |
|||||
|
|
|||||||
вой или танталовой проволоки, |
|
У |
|
ш |
||||
либо танталовой ленты. |
V ' ' |
' |
|
|
||||
Д ля |
повы ш ения |
с р о ка |
|
|
|
L_ |
||
службы катодного узла иногда |
|
|
|
|||||
в конструкцию сварочной пуш |
|
|
|
7 |
||||
ки вводят вакуумный клапан |
|
|
|
|
||||
для герметичного отделения |
|
|
|
|
||||
внутренней полости катодного |
|
|
|
|
||||
блока от вакуумной |
камеры |
|
|
|
|
|||
при |
разгерметизации после |
|
|
|
|
|||
дней и узел дифференциаль |
Рис. 22. Гэометр!1я электронного |
|
||||||
ной откачки для подключения |
прожектора сварочной пушки У Л -1 19 |
|||||||
вакуумного насоса (рис. 24). |
(30 к В — |
15 кВт): 1 — подогреватель; |
||||||
Характеристики основных |
2 — катодная вту.лка; 3 — гайка держателя |
|||||||
классов сварочных электрон |
катода; 4 — дерн(атель катода; 5 — катод; |
|||||||
ных |
п у ш е к |
приведены в |
6 — упрааляющий электрод (электрод |
|||||
табл. 11. |
Наиболее |
ш ироко |
Венельта); 7 — а/юд |
|
|
|||
|
|
|
|
для электронно-лучевой сварки |
53 |
Таблица 13. Характеристики некоторых термокатодов для электронных пушек
Параметр |
|
Катоды из LaB6: |
|
W -ка то д |
|
монокристал- |
поликристал- с плазменным |
|
|
|
лические |
лические |
покрытием |
|
Рабочая температура, |
1820 |
1820 |
1820 |
2800 |
К |
|
|
|
|
Плотность тока |
20 |
10 |
7 |
1 |
электронного пучка, |
|
|
|
|
А/см2 |
|
|
|
|
Яркость, А/(см2-ср) |
2 -Ю 6 |
5- 10s |
5 -104 |
1 -104 |
Скорость испарения, |
Э Ю '9 |
5-10-9 |
1,5-10-9 |
3-1 о-7 |
кг/(м 2-с) |
|
|
|
|
Скорость разрушения |
|
|
|
|
граней ионами А г , |
|
|
|
|
кг/(м 2 с): |
|
|
|
|
<100> |
5,35-10-9 |
1,4-10-* |
1,4-10-* |
0,7-10-« |
<110> |
8,30-10'® |
|
|
|
<111> |
8,50-10-9 |
|
|
|
Предельные размеры |
Н=100-200, |
Н = 2 -5 , |
Н = 1 -2 , |
Без |
катодов, мм |
D =0,3 -8 |
0 = 2 -1 2 0 |
D =10—150 |
ограничений |
Примечание. Н — высота; D — диаметр.
Как известно, силу максимального тока электронного пучка определяет конструкция электроннооптической системы, и она до стигается в диодном режиме трехэлектродной сварочной пушки в области ограничения тока пространственным зарядом электронов. Насыщение тока электронного пучка достигается при мощности подогрева катода (рис. 26): 75 Вт — для поликристаллического ка тода; 30 Вт — для монокристаллического катода.
Следовательно, эмиссионные свойства монокристаллических катодов лучше, чем у поликристаллических катодов, так ка к огра ничение силы тока пространственным зарядом электронов для м о нокристаллических катодов наступает при более низких темпера турах (рис. 27). Если ж е мощность подогрева для этих катодов равна, то температура эмиттирующей поверхности монокристал лического катода больше на 50-100 °С, чем для поликристалли ческого катода. Это объясняют более высокой теплопроводнос тью монокристалла.
56 |
Оборудование |
Используя высокие эмис |
|
|
сионные свойства монокрис- |
|
|
таллического катода, можно |
|
|
увеличить запас по силе тока |
|
|
электронного пучка и умень |
|
|
шить м ощ ность подогрева. |
|
|
Это ведет к увеличению сро |
|
|
ка службы катода. |
|
|
Просгранственныехаракгери- |
|
|
стики электронного пучка изу |
|
|
чались с помощью резки тон |
|
|
ких стальных пластин. Угол |
|
|
между пластиной и осью пуч |
|
|
ка составлял 35 -4 0 0. Диаметр |
|
|
и угол сходимости электронно |
|
|
го пучка определяли по шири |
|
|
не резов на пластинах (рис. 28). |
|
|
Видно, что угол сходимости |
|
|
электронного пучка зависит от |
|
|
тока электронного пучка. Угол |
|
|
сходимости имеет экстремум |
|
|
при силе тока электронного |
|
|
пучка / = 150 мА: максимум — |
Рис. 25. Устройство защиты электронной |
|
для монокристаллического ка |
пушки от паров при сварке: |
|
тода, минимум — для поли- |
1 — сварочная пушка; 2 — изолятор; |
|
кристаллического катода. |
3 — диффузор; 4 — сгусток |
|
Диаметр электронного пуч |
низкотемпературной плазмы; |
|
ка для монокристаллического |
5 — сварочная ванна; 6 — электронный |
|
пучок; 7 — элементы парогазового |
||
катода меньше, чем для поли- |
||
потока; 8 — внутренний лучепровод |
||
кристаллического катода. При |
(коническая насадка) |
|
одинаковых условиях полное |
|
проплавление нержавеющей стали толщиной 20 мм достигается при /„^ = 1 1 0 мА для'монокри
сталлического катода и при 1п(р)=120 мА для поликристаллического катода. Разность 1п(р~1п(т} увеличивается с увеличением глубины проплавления.
Испытания катодов при сварке показали, что срок службы моно кристаллического катода больше в 2 -4 раза, чем срок службы поликристаллического катода.
Эмитгирующая поверхность монокристаллического катода пос ле испытаний на долговечность имеет микроструктуру с минимальной
для электронно-лучевой сварки |
57 |
шероховатостью и однород ный химический состав. На блюдаются единичные ямки травления квадратной формы в местах выхода дислокаций на поверхность катода, а так же группы ямок травления, ко торые расположены в линию вдоль границы субзерен. Плот ность дислокаций в монокри сталлах зависит от условий ро ста и м ож ет изм еняться в 100-1000 раз. Поэтому срок службы монокристаллических катодов при ионной бомбарди ровке во время электронно лучевой сварки зависит от со вершенства микроструктуры монокристаллов. Наилучшая микроструктура формируется в кристаллографическом направ лении <100>.
В поликристаллических ка тодах после электронно-луче вой сварки имеется структурная неоднородность эмиттирующей поверхности. Увеличение шеро ховатости является следствием селективного разрушения гра ниц зерен и появлением пор вследствие ионной бомбарди ровки. Кроме того, возможны хлопьевидные выделения лег кой фазы. Очевидно, причиной таких выделений является из менение химического состава поликристаллического катода во время нагрева.
Нерегулярность эмиттиру ющей поверхности поликрис таллического катода ведет
58 |
Оборудование |
к неоднородному распределению тока эмиссии. Соответственно электронный пучок имеет больший диаметр и во время сварки так ж е больший встречный ионный поток. Принимая во внимание пуль сации напряжения в электронной пушке, ясно, что имеет место нестабильная нерегулярность эмиттирующей поверхности. Это ве дет к однородному износу поликристаллического катода.
Монокристаллический катод имеет регулярную эмиттирующую поверхность. Встречный ионный поток фокусируется в пучок диа метром не более 0,3 мм. Узкое отверстие в катоде формируется
м едленно, но оставш аяся |
|
|
|
|
||
часть катода обеспечивает не |
|
|
|
|
||
обходимые пространственные |
|
|
|
|
||
и энергетические характеристи |
|
_____ V |
, |
|
||
ки электронного пучка. |
|
|
||||
|
2 |
Ч |
|
|||
Использование монокрис- |
|
|
||||
таллических лантанборидных |
|
|
|
|
||
катодов в сварочных элект |
|
|
1300 |
1500 1700 |
||
ронных пушках позволяет: |
|
|
и™, в |
|
||
■ |
увеличить на 20-30% за |
0,04 |
|
|
||
|
|
|
||||
|
пас силы тока электрон |
0,03 |
|
|
|
|
■ |
ного пучка; |
|
|
|
||
ум е н ьш и ть д иам етр |
е о,о2 |
|
|
|
||
■ |
электронного пучка; |
0,01 |
|
|
|
|
увеличить на 15-20% |
|
|
|
|
||
|
глубину проплавления |
|
|
1300 |
1500 |
|
|
при сварке; |
|
|
|||
|
|
|
Ц », в |
|
||
■ |
увеличить в 2 -4 раза |
250 |
|
|
||
|
|
|
||||
|
срок службы катода; |
\ |
|
|
||
■ |
200 |
|
|
|||
уменьшить нагрев де |
|
} |
|
- 1- |
||
|
талей электронной пуш |
р 150 |
ЧА N. |
|
||
|
ки от подогревателя ка |
100 |
|
|
■ и*. |
|
|
тода. |
50 |
|
|
||
Отравление и восстанов |
|
|
|
- в |
||
900 1100 1300 1500 |
17001900 |
|||||
ление эмиссии лантанбо- |
|
|
|
|
||
ридного катода |
Рис. 28. Зависимость глубины |
|||||
Гексаборид лантана, как |
проплавления h, угла сходимости а я |
|||||
известно, сочетает высокую |
электронного пучка и тока электронного |
|||||
хим ическую устойчивость с |
пучка 1П от напряжения Uynp |
|||||
низкой работой выхода элек |
на управляющем электроде сварочной |
|||||
пушки: 1 — монокристаллический катод, |
||||||
тронов. Существуют две точки |
||||||
2 — поликристаллический катод |
зрения на механизм термо-
для электронно-лучевой сварки |
59 |
электронной эмиссии лантанборидного катода. Согласно одной из них, он представляет собой пленочный эмиттер с покрытием из сво бодного лантана. В такой модели работа выхода зависит от степе ни покрытия поверхности, т. е. от концентрации избыточных ато мов лантана, определяемой соотношением скоростей диффузии, испарения и химического связывания их активными газами. От равление пленочного катода может объясняться также адсорбци ей электроотрицательных газов поверх лантановой пленки.
Более убедительной представляется гипотеза о твердотельном характере эмиссии гексаборида лантана, по которой величина ра боты выхода непосредственно связана со структурой эн е р гетических уровней этого соединения. В этом случае нарушения кристаллической решетки, вызванные химическим взаимодействи ем гексаборида с остаточными газами, приведут к уменьшению эмиссии.
Исследования отравления лантанборидного катода показали, что кислородсодержащие газы и азот уменьшают эмиссию, если их парциальное давление превышает некоторую критическую ве личину, зависящую от температуры катода. Значения отравляю щего давления, полученные экстраполяцией экспериментальных данных, приведены в табл. 14. Результаты разных авторов удов летворительно согласуются между собой, единственное расхож дение относится к воздействию водорода. По экспериментальным данным водород при температуре 1200-1400 °С практически не влияет на эмиссию вплоть до давлений примерно 10"2 Торр.
Однако в работе Букингема [89] показано, что напуск водорода при давлении 10-6 Торр в систему с накаленным катодом (1235 °С) приводит к уменьшению силы тока эмиссии в 2 -3 раза. Одновре менно в остаточной атмосфере появляются компоненты с м ассо выми числами 28-70. Это объясняется образованием газообраз ных гидридов бора и захватом свободны х атом ов лантана возникающими в кристаллической решетке вакансиями бора.
Из данных табл. 15 видно, что в остаточной атмосфере, состоя щей из кислородсодержащих газов, азота и водорода при давле нии меньше 10"4 Торр, отравление лантанборидного катода с тем пературой 1400 °С и выше невозможно. Однако в ряде случаев падение и даже полную потерю эмиссии наблюдают и при высо кой температуре в хорошем вакууме (1400-1500 “ С ^ - г - Ю " 6 Торр). Как правило, это имеет место в вакуумных системах с резиновыми уплотнениями. Для изучения причин этого явления были выполне ны специальные исследования [1].
60 |
Оборудование |