книги / Электронно-лучевая сварка и смежные технологии

где R — внутренний радиус полюсов фокусирующей системы; I — сила тока в обмотке; N — число витков обмотки; ц0— магнитная проницаемость среды.

Воспользовавшись выражением (92), получим формулу для расчета ампер-витков обмотки фокусирующей системы:

где кп — коэффициент, учитывающий действие панциря (к =0,5.. .0,8 при наличии панциря и А:; =1 при отсутствии панциря).

Известно, что «коротким» магнитным линзам свойственны следую­ щие виды аббераций: хроматическая, сферическая, астигматизм, кри­ визна поля изображения, дисторсия, кома и приосевой астигматизм.

Хроматическая абберация связана с разбросом скоростей элек­ тронов в пучке, из-за чего электроны пересекают ось z в различ­ ных точках, что и приводит к размытию поперечного сечения пучка на обрабатываемом изделии. Этот вид абберации обусловлен не столько разбросом скоростей электронов, покидающих катод, сколько нестабильностью и пульсацией ускоряющего напряжения электронной пушки и тока фокусирующей системы. Поэтому при неизменных параметрах источников питания электронного прожек­ тора и фокусирующей системы влияние износа катода на хрома­ тическую абберацию и, следовательно, на поперечные размеры электронного пучка несущественно.

Нестабильность и пульсации ускоряющего напряжения элект­ ронной пушки приводит к возрастанию радиуса электронного пуч­ ка на изделии на величину

где СК_"— расстояние между кроссовером и изделием; afti— угол расходимости электронного пучка в области кроссовера; k lHecf к 1пульс— коэффициенты соотвественно нестабильности и пульса­

ций ускоряющ его напряжения.

Нестабильность и пульсации тока фокусирующей системы при­ водит к возрастанию радиуса электронного пучка на изделии на величину

гд е к 2нест> к2пульс~~ коэФФиЦиенты соотвественно нестабильности

и пульсаций тока фокусирующей системы.

Сферическая абберация, как показывают оценки, при износе катода приводит к увеличению диаметра электронного пучка на единицы микрон, что также несущественно.

Астигматизм, кривизну поля изображения, кому и дисторсию относят к полевым абберациям, т. е. они свойственны воспроизве­ дению точек объекта (кроссовера), расположенных вне оси опти­ ческой системы, и, хотя в разной степени, всегда возрастают с увеличением расстояния от оси. При условии съюстированности фокусирующей системы относительно оси электронного пучка крос­ совер оказывается расположенным на оси и имеет весьма неболь­ шие размеры: удаление «крайней» точки кроссовера от оси суще­ ственно меньше расстояния между кроссовером и фокусирующей системой. По этой причине такие абберации приводят лишь к неко­ торому перераспределению яркости в пределах поперечного сече­ ния электронного пучка и практически не увеличивают его размера.

Приосевой астигматизм является наиболее опасным видом аббераций фокусирующей системы. Он порождается наруш ени­ ем осевой симметрии фокусирующей системы и, в зависимости от степени этого нарушения, может приводить к увеличению попе­ речных размеров электронного пучка на изделии в несколько раз. Наличие приосевого астигматизма легко распознается: при незна­ чительном изменении оптической силы фокусирующей системы светящееся пятно на изделии от воздействия электронного пучка последовательно принимает форму эллипса (или даж е штриха), круга и второго эллипса, ориентированного по отношению к пер­ вому под углом 90°. Подбор оптической силы, при которой пятно превращается в круг, свидетельствует не об исчезновении при­ осевого астигматизма, а лишь о совмещении поверхности поля изображения (абберация кривизны поля изображения всегда со­ путствует астигматизму) с поверхностью изделия. При отсутствии приосевого астигматизма пятно, будучи круглым при любой опти­ ческой силе линзы, имело бы при оптимальной фокусировке сущ е­ ственно меньшие размеры.

Точность изготовления, а также точность юстировки фокусиру­ ющей системы относительно оси электронного прожектора, явля­ ются основными факторами, влияющими на поперечные размеры и форму распределения плотности мощности электронного пучка. Детали панциря должны изготавливать из материалов с высокой

и не удовлетворяет условию большого удельного сопротивления. С целью обеспечения высокой

степени осевой симметрии детали панциря следует вытачивать с од­ ной установки, стенки и полюса должны иметь толщину порядка 4-5 мм, для повышения однородности магнитных свойств желателен от­ ж иг деталей панциря по определенной технологии. Гораздо лучшими свойствами обладают панцири из ферритов, однако они намного слож­ нее в изготовлении, после отжига требуют шлифовки всех поверхно­ стей, без чего не может быть получена требуемая степень симмет­ рии. Целесообразно использовать систему, стакан панциря которой изготовлен из сплава АРМКО, а полюсной диск — из феррита.

Отклоняющие системы

Основным видом отклоняющих систем, применяемых в свароч­ ных электронных пушках, являются магнитные отклоняющие систе­ мы (рис. 33). Ориентировочное число ампер-витков системы, необ­ ходимых для отклонения электронного пучка на заданный угол а, рассчитывают по соотношению:

I N - 2 . 7 d ^ U „ & - <

где сУи / — внутренний диаметр и длина цилиндрического объема, в котором создано отклоняющее поле, м\ Uyc=[B\.

Абберации отклоняющей системы описывают следующими вы­ ражениями:

дисторсию —

АР = Dtg*a *

астигматизм —

ARA =A (otg2a ,

кому —

ARc = C(o2tga>

где со— круговая частота колебаний тока в отклоняющей системе. Коэффициенты D, А, С определяют величину искажений, имеют размерность длины и зависят от характера поля (распределения и протяженности) и расстояния между отклоняющей системой и из­ делием. Отсюда следует, что эти коэффициенты нельзя рассмат­ ривать как параметры отклоняющей системы безотносительно к ее расположению, поэтому невозможно создать универсальную отклоняющую систему, имеющую одинаковые искажения безот­ носительно к типу электронной пушки, свариваемому изделию и сварочной установки. Теоретический синтез магнитной отклоняю ­ щей системы трудно осуществить даже в случае, если требуется

оптимизация только по видам абберации.

Технические требования к параметрам

электронного пучка и энергоблоков

Для обеспечения высокого качества изделий при электронно­ лучевой сварке толстолистовых металлов и эффективного приме­ нения систем программного управления необходима аппаратура с соответствующей высокой стабильностью и воспроизводимос­ тью мощности и геометрических параметров электронного пучка. Целесообразно определить допустимые значения нестабильности основных технологических параметров, так как беспредельное уве­ личение стабильности любого параметра неизбежно приводит к усложнению и удорожанию сварочной аппаратуры.

Ниже изложена методика расчета допустимых отклонений от заданных значений параметров источников питания электронных пушек мощностью 50-100 кВт и скорости однопроходной электрон­ но-лучевой сварки исходя из условия хорошей воспроизводимости геометрии сварного шва. Отклонение параметров рассматривают за время, превышающее постоянную времени сварочной ванны.

Расчет конкретных значений допустимых нестабильностей па­ раметров основан на требованиях к нестабильности глубины про­ плавления. Как известно, сечение сварного шва выбирают исходя из требований к надежности соединения с точностью определе­

ния рабочих нагрузок 3-5% . Действующие нормы допускают лишь плюсовые отклонения от расчетных значений. При задании допусти­ мой нестабильности глубины проплавления в диапазоне ±(2,5-5%) сварные швы будут удовлетворять установленным нормам при лю­ бом выборе глубины шва, большей 1,05 от требуемого значения.

Воспроизводимость геометрии электронного пучка втече­ ние длительной сварки без смены деталей электронной пуш­

ки [103]. Из анализа тепловой модели электронно-лучевой сварки следует, что точность воспроизведения уровня фокусировки и угла сходимости мощного электронного пучка при допустимом относи­ тельном изменении глубины несквозного проплавления ±2,5% дол­ ж на быть следующей (при Ь=330 мм):

Sb/b <±0,5% для а =5 -КГ2рад,

8Ь/Ь <±1,5% для а =5-10-3рад,

8 а / а <±6,9% для 1 -10-2 рад < ал< 2-10-1 рад.

Обеспечение указанных требований при длительной сварке без смены элементов электронно-оптической системы электронной пушки достигают, обеспечивая соответствующую износостойкость катода и стабильность теплового режима системы.

Максимальные требования к нестабильностям [52]. Уравне­ ние для нестабильности глубины несквозного проплавления в со­ ответствии с тепловой моделью электронно-лучевой сварки име­ ет следующий вид:

Sh

(96)

h

где А0 А1 А2, А3— весовые коэффициенты. Глубина проплавления при этом выбирается в зоне сплошного провара (т. е. исключая корневые дефекты).

Параметры Ь, ая и rmjn зависят от IM, Ijf, UycK, где 1М— ток фоку­ сирующей электромагнитной линзы. Соответствующие соотноше­ ния для нестабильностей этих параметров имеют вид:

(97)

Коэффициенты X, % и С, могут быть определены аналитически, численными методами или экспериментально.

Выполним численные оценки по уравнениям (96)-(99). Весо­ вые коэффициенты А0, Аг А2 и А3 определим по рис. 34 для элек­ тронных пучков мощностью 50-100 кВт:

А2=-(/дан)~1при 1-10 3 рад<а <1-10"1 рад;

А3= -1 .

Значение А, определено на линейном участке зависимости h=f(Ab), где требования к фокусировке электронного пучка наиболее велики.

Связь параметра Ь с 1м и 1/уск находим из соотношений геомет­ рической оптики для сварочных электронных пушек:

где f — фокусное расстояние электромагнитной линзы; а — рас­ стояние кроссовер электронного пучка — средняя плоскость элек­ тромагнитной линзы; к — коэффициент пропорциональности.

Кроме того, магнитный пинч-эффект в сварочных электронных пучках обуславливает следующую зависимость:

С учетом выражений (100)—(102) соотношение (97) преобразу­ ем к виду

где М=Ь/а — увеличение фокусирующей электромагнитной линзы. Для триодных сварочных пушек положение кроссовера зави­ сит практически только от силы тока электронного пучка. Из расче­

тов такой зависимости (рис. 35) следует, что

Учитывая, что обычно сварку выполняют при М<2 (принимаем М=2), из соотношений (103) и (104) получаем значения коэффициентов X:

Связь величин а п и rmjn с основными параметрами источника

питания и электронной пушки определяем следующими соотно­ шениями [20, 72]:

(108)

где (рк — тепловой потенциал катода электронной пушки;/еГ— плот­ ность тока эмиссии катода; Ссф— коэффициент сферической абер­ рации фокусирующей электромагнитной линзы; W — количество витков электромагнитной линзы; d — диаметр полюсного отвер­ стия магнитопровода линзы; k v к 2— коэффициенты, зависящие от S/d\ S — ширина магнитного зазора в электромагнитной линзе. Со­ ответствующие выражения для нестабильностей угла сходимости

ирадиуса минимального сечения электронного пучка имеют вид:

8ап/а п=-[М/(1 +М)2+1/4]5Ь /£н-[М/(1+М)2-3/4]8а/а+1/881л/ 1п+

+3/8(SUya</UyJ - (8 lM/ I J +1/4(2 Ib lJ lM^ U j U J I [ U \ m i l l k 2U ^

где TK— температура катода {(p~ TK). Здесь j eT=const, так как про­ ж ектор электронной пушки в нормальном состоянии работает в режиме ограничения плотности тока эмиссии катода простран­ ственным зарядом вылетающих электронов. Учитывая соотношения (100), (101), (103), (104), а также то, что согласно [20]

выражения (109) и (110) можно привести к виду

При М=2 и параметрах типичной электромагнитной линзы для электронной пушки класса 120 кВ -120 кВт: d=75 мм, Ь=330 мм, к ^ б - Ю Л к2=4-10-2 (для S/d=0,47), из выражений (112) и (113) по­ лучаем значения коэффициентов х и

Используя полученные значения коэффициентов /, с и z и урав­ нения (97)—(99), из уравнения (96) имеем (для ая=1 -10"2 рад)

(5h/h)max=1 °-42(51Л/1„)+4.18(81„ /1п)+

+6,85(8UycK/UycK)+(5VCн1 м B/VCB)+0,4(8TK/TH. (116)

Результаты вычислений по уравнению (116) приведены в табл. 17. Во втором столбце показано, что при обычно используе­ мых характеристиках нестабильности основных параметров источ-

Таблица 17. Максимальные требования к нестабильностям основных параметров источников питания электронных пушек

и скорости сварки электронным пучком в зависимости от допусти­ мой нестабильности глубины проплавления

ников питания электронных пушек нестабильность глубины про­ плавления составляет ±13,4%. В этих условиях для обеспечения хорошей воспроизводимости геометрии сварного шва необходи­ мы периодический тест-контроль и корректировка параметров ис­ точника питания. Если же задаваться требуемой для высококаче­ ств е н н о й во спр о и зво д и м о сти геом етрии сварного ш ва нестабильностью глубины проплавления ±2,5%, то нестабильнос­ ти тока электронного пучка и ускоряющего напряжения должны быть на порядок ниже (столбец 3).

Уменьшение требований к нестабильности глубины проплавления в два раза (±5%) снижает требования к нестабильности тока электрон­ ного пучка на ±0,6% (столбец 4).

Рассмотрим другие пути достижения высокой воспроизводи­ мости геометрии проплавления. Из уравнения (96) следует, что для этого необходимо снижать значения весовых коэффициентов. На рис. Завидно, что при о^1-10"4 рад коэффициенты А ^О и А2«0. Кроме того, известно, что при сварке на малых скоростях (Усв<0,25 см/с)

глубина проплавления практически не зависит от Vce (см., напри­ мер [85]). При этом в ряде случаев удается получать сварные швы на толстолистовых сталях более высокого качества, чем при боль­ ших скоростях сварки.

Учитывая это, уравнение (96) преобразуется в вид

(^ h )max4 S I„ / g +(8 U ^ /^ > (8 rmi„/rmin)max= 4 .9 (8 l/g+

+(85l,/3I„)+3,3(SUycK/iyycK)+(38TK/8-д. (117)

Аналогично предыдущему анализу для обычно применяемых источников питания нестабильность глубины проплавления соглас­ но уравнению (117) составляет ± 7% (табл. 17, столбец 5), что зна­ чительно ниже, чем для электронных пушек с а ~1 -1СГ2 рад.

Для поддержания же глубины проплавления с точностью ±2,5% или ±5% требования к нестабильности тока электронного пучка или ускоряющего напряжения в 6 -8 раз ниже (столбцы 6 и 7), чем в