CC BY
44
УДК 621.791.722
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ПУШКА КЭП-2М
Р. Ш. Цыплаков, О. В. Булатникова* Научный руководитель - В. В. Богданов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: ov_bulatnikova@mail.ru
Рассмотрены назначение и применение электронно-лучевой пушки, технические параметры, конструктивные особенности. Разработаны условия эксплуатации катода ЭЛП и меры повышения его срока службы.
Ключевые слова: электронно-лучевая пушка, косвенный разогрев катода, высоковольтные разъемы.
ELECTRON-BEAM GUN KEP-2M
R. Sh. Tsyplakov, O. V. Bulatnikova*
Scientific Supervisor - V. V. Bogdanov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: ov_bulatnikova@mail.ru
The design and application of an electron beam gun, technical parameters, design features are considered. The conditions for the operation of the cathode of ELF and measures to increase its service life have been developed.
Keywords: electron-beam gun, indirect cathode heating, high-voltage connectors.
Электронно-лучевая сварочная пушка КЭП-2М-01 является универсальным электровакуумным прибором и предназначена для создания мощного электронного пучка, который может быть использован для сварки, термообработки и других видов работ в рамках электроннолучевой технологии.
Конструктивные особенности пушки позволяют размещать её как снаружи, так и внутри вакуумной камеры в любом пространственном положении.
Пушка электронно-лучевая типа КЭП-2М-01 может использоваться в комплекте с высоковольтными источниками питания У-250А, У-670 и любыми другими источниками, обеспечивающими подачу на электроды пушки напряжений согласно прилагаемой схеме [1].
Технические данные сварочной пушки КЭП-2М-01:
1. Тип пушки - трёхэлектродная с комбинированной (электростатической и электромагнитной) фокусировкой и электромагнитным отклонением электронного пучка.
2. Ускоряющее напряжение, кВ до 30 (до 60).
3. Максимальная мощность пучка, кВт до 15 (до 60).
4. Катод - прямонакальный, ток накала, А 12/144.
5. Управляющее напряжение, кВ до 5.
6. Фокусировка, электромагнитная - однолинзовая.
7. Сопротивление катушки, кОм 1,5.
8. Ток фокусирующей линзы, мА 20-100.
9. Угол отклонения пучка по осямXи Y, град 15.
10. Расход охлаждающей воды, л/мин3.
Секция «Сварка летательньш аппаратов и родственнее технологии»
11. Габаритные размеры пушки, мм 0 250x408.
12. Масса (без кабеля), кг.
Состав пушки сварочной пушки КЭП-2М-01.
Пушка электронно-лучевая КЭП-2М-01 состоит из катодного блока, анодного блока и блока токоподвода [2].
Принцип работы сварочной пушки КЭП-2М-01. В основе электронно-лучевой технологии лежит использование энергии, освобождаемой при торможении потока ускоренных электронов на поверхности подвергаемого обработке материала. Электронно-лучевая пушка является источником потока ускоренных электронов и состоит из прожектора и фокусирующе-отклоняющей системы, предназначенной для формирования электронов.
При подаче на электроды электронного прожектора рабочих напряжений прямонакальный катод нагревается до температуры, при которой начинается термоэмиссия электронов с его поверхности. Попавшие в электростатическое поле электроны начинают двигаться в сторону анода. При этом происходит формирование пучка под воздействием потенциала управляющего электрода. Пройдя анодное отверстие, поток электронов попадает в поле электромагнитной линзы, с помощью которой осуществляется необходимая фокусировка пучка. При необходимости возможно отклонение пучка в двух взаимно-перпендикулярных направлениях с помощью отклоняющей катушки.
Кроме функции формирования пучка управляющий электрод служит для изменения интенсивности пучка от полного его запирания до максимального значения [3; 4].
Пушка КЭП-2М-01 состоит из 3-х основных узлов: катодного блока, анодного блока и блока токоподвода.
Катодный блок состоит из корпуса и электронного прожектора. В корпусе имеются вводы для подачи воды при применении водяного охлаждения.
Электронный прожектор состоит из 3-х дисков и держателя анода, закреплённых на 6-ти керамических стержнях и имеющих посадочные места под нагреватель катода, керн, управляющий электрод и анод.
Долговечность катода сварочной пушки, работающего в чрезвычайно тяжелых условиях (многократное воздействие атмосферы, паров масел, газовыделений из сварочной ванны и металлических паров), определяется, во-первых, возможностью формирования пучка с максимальным током, на 15-20 % превышающим рабочий ток, и, во-вторых, сохранением с точностью до ±1 % исходного положения плоскости фокусировки пучка и аксиальной симметрии пучка: фокусное пятно на изделии не должно смещаться более чем на 0,1 мм от оси симметрии при изменении во всем диапазоне рабочих значений тока пучка и тока фокусирующей линзы.
Основным типом катодов сварочных пушек являются катоды с косвенным подогревом с помощью электронной бомбардировки. Нагрев катодов тепловым излучением подогревателя неэкономичен при Ткат > 1 900 К. Для исключения влияния случайных колебаний температуры катода на ток пучка рабочую температуру катода выбирают на 5-10 % большей, чем необходимо для получения заданного тока пучка. Во время разогрева катода возникает эффект положительной обратной связи между нитью накала и катодом. Для обеспечения стабильности подогрева катода в источнике питания цепей электронного подогрева должна быть исключена возможность самопроизвольного увеличения тока бомбардировки.
В числе главных достоинств лантанборидного (ЬаБ6) катода наряду со стойкостью против отравления и ионной бомбардировки следует отметить также сохранение эмиссионных свойств при длительном пребывании в активированном состоянии на воздухе. Лантанборидный катод отличается также незначительными затратами мощности на разогрев, что способствует меньшим температурным деформациям катодного узла.
Экспериментально установлено, что на эксплуатационную стабильность лантанборидных катодов существенно влияют давление остаточных газов и химический состав этих газов. При работе лантанборидного катода в условиях высокого вакуума 2,66 ■ 10-3 Па (при нормальной мощности подогрева) общая глубина выработки катода за 40 ч непрерывной работы не превышает 0,08-0,1 мм (энергия электронного пучка 100 кэВ, параметры кратера, образованного ионной бомбардировкой: диаметр 1,0 мм, глубина 0,35 мм). Следовательно, одной из основных мер повышения срока службы лантанборидных катодов является максимальное улучшение вакуумных
условий в области ускоряющего промежутка пушки, что реализуется обычно созданием одно-или многоступенчатой дифференциальной откачки из полости пушки.
Анодный блок состоит из корпуса и кожуха, внутри которого размещены фокусирующие и отклоняющие катушки. В нижней части кожуха установлен охлаждающий экран и теплозащитный экран-отражатель. Питание фокусирующих и отклоняющих катушек осуществляется через малогабаритный разъём.
Откачка из области катодного узла осуществляется через отверстия в корпусе анодного блока.
Анодный блок стыкуется с катодным блоком механически.
Блок токоподвода состоит из корпуса, крышки, и токовводов, закрепляемых на изоляторе.
Пространство между изолятором и диафрагмой заполнено жидким диэлектриком - касторовым маслом ГОСТ 6990-75.
Для расширения технологических возможностей пушки КЭП-2М-01 предусмотрена возможность использования её при ускоряющем напряжении 30 и 60 кВ.
Применение монокристаллического термокатода вместо поликристаллического увеличило время работы без замены термокатода примерно в 10 раз, вследствие ее меньшей ресурсной деградации меньшей склонности к астигматизму электронного пучка [4].
Библиографические ссылки
1. Электронно-лучевая сварка / О. К. Назаренко, А. А. Кайдалов и др. ; под ред. Б. Е. Пато-на. Киев : Наук. думка, 1987. 256 с.
2. Машиностроение : энцикл. Т. Ш-4. Технология сварки, пайки и резки / под. ред. Б. Е. Па-тона. М. : Машиностроение, 2006.
3. Акопьянц К. С., Емченко-Рыбко А. В. Контроль глубины проплавления и фокусировки электронного пучка по частоте пульсаций ионного тока при сварке // Автомат. Сварка. 1972. № 9. С. 28-32.
4. Ю. Н. Серегин, В. Д. Лаптенок, Н. В. Успенский и др. Экспериментальные исследования по оптимизации технологии электронно-лучевой сварки алюминиевых сплавов // Технологии и оборудование ЭЛС - 2011 : докл. Санкт-Петерб. междунар. науч.-техн. конф. (24-26 мая 2011 г.). СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2011. 314 с.
© Цыплаков Р. Ш., Булатникова О. В., 2017
