CC BY
523
Секция «Сварка летательньш аппаратов и родственнее технологии»
УДК 621.791.722
А. Н. Пашкин, Е. А. Болдарев Научный руководитель - В. В. Богданов Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
ВИДЫ КАТОДОВ СВАРОЧНЫХ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ПУШЕК
Рассмотрены виды катодов, применяемые в сварочных электронно-лучевых пушках, выявлены преимущества и недостатки различных катодов в разных вариантах нагрева катода
К катоду сварочной пушки предъявляются чрезвычайно жесткие требования, определяемых неблагоприятными условиями его работы.
Процесс электроннолучевой сварки сопровождается значительными испарениями металла из сварочной ванны. Металлы с низкой температурой плавления -медь, алюминий и другие, попадая на поверхность катода, образуют при определенных условиях легкоплавкие летучие эвтектики. Испарение последних приводит к возникновению на катоде углублений и к нарушению начальной поверхности катода, из-за чего изменяются оптимальные условия фокусировки электронного луча. Если рабочая температура катода ниже температуры плавления свариваемого металла, то эмиссия катода будет спадать во времени. Недостаточно высокий вакуум в процессе сварки - обычно порядка 10-4 мм рт. ст. - ведет к интенсивному разрушению поверхности катода ионной бомбардировкой.
Частая разгерметизация сварочной камеры приводит к интенсивному разрушению поверхности катода. В таких условиях работы не могут быть использованы оксидные катоды, наиболее широко применяемые в электровакуумном приспособлении.
Для сварочных пушек непригодны и другие эффективные термокатоды: оксидно-ториевые (на основе двуокиси тория ТЮ2), синтезированные (спеченная смесь никелевого порошка и углекислых бария и стронция) и особый тип эффективных катодов, полученных путем усовершенствования оксидно-бариевых катодов, так называемые Ь-катоды.
Во многих сварочных пушках применяются металлические катоды. Для получения больших плотностей тока выбираются металлы с небольшой работой выхода, допускающие нагрев до высоких температур при сравнительно малой скорости испарения металла. Наиболее широко распространенные металлы, отвечающие этим требованиям, - вольфрам и тантал.
В некоторых типах сварочных пушек применяются металлоподобные лантанборидные катоды (ЬаВ6), обладающие лучшими эмиссионными характеристиками по сравнению с металлическими катодами. На лантанборидные катоды металлизируются парами металлов с температурой плавления, равной рабочей температуре катода или выше ее.
Особый интерес для сварочных электронных пушек представляют отличные от термоэмиссионных -холодные и газоразрядные катоды.
Перспективна эмиссионная система с полым катодом. Внутри полого цилиндра с перфорированными стенками расположен перфорированный диск, играющий роль управляющей сетки. Поверхность поло-
го катода самоочищается в процессе работы за счет бомбардировки газовыми ионами, благодаря чему на работе катода не сказывается попадание паров свариваемых металлов [1].
Конструктивно катоды сварочных электронных пушек выполняются прямонакальными и с косвенным подогревом.
Прямонакальные катоды более просты в изготовлении, но имеют ряд существенных недостатков. В первую очередь, в прямонакальном катоде трудно обеспечить правильную геометрическую форму эмитирующей поверхности. Кромке того, ток, разогревающий прямонакальный катод, создает значительное магнитное поле, отклоняющее эмитированные электроны от оси прожектора. В связи с этим при разогреве катода постоянным током наблюдается сдвиг оси пучка относительно геометрической оси прожектора, а при разогреве катода переменным током вследствие изменения величины и направления магнитного поля круглое магнитное сечение пучка вырождается в линию. Преимущество катодов с косвенным подогревом перед прямонакальными в том, что они имеют более равномерную по поверхности плотность эмиссии и являются эквипотенциальными.
Прямонакальные катоды рационально применять в аппаратуре с небольшими плотностями тока (1-2 а/см) или с небольшими циклами работы.
Основное преимущество лантанборидных катодов по сравнению с металлическими - высокая эмиссионная способность 110-ас- I при относительно низкой ^ см2)
рабочей температуре (1 600 оС). Но на работу лантан-боридного катода оказывают влияние пары свариваемых материалов. При сварке материалов с температурой плавления ниже 1 500-1 900 оС не наблюдается металлизация лантанборидного катода парами свариваемых материалов. Время работы катода и стабильность его параметров определяются в этом случае степенью разрушения поверхности катода ионной бомбардировкой и уносом материала катода в составе легкоплавких эвтектик, образующихся на его поверхности в результате взаимодействия с парами свариваемых металлов.
Более стабильные параметры пучка обеспечивают массивные (толщиной 1-1,5 мм) металлические катоды, подогреваемые путем электронной бомбардировки.
Нагрев катодов излучением вольфрамовой спирали, хотя и отличается своей простотой, оказывается неэкономическим при необходимости достижения температуры эмиттирующей поверхности катода свыше 1 6001 700 оС. Такой способ нагрева не обеспечивает пара-
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2014. Технические науки
метров электронного пучка в случае использования лантанборидных катодов, если свариваются материалы, имеющие в своем составе тугоплавкие элементы, и вообще не применим для нагрева массивных высокотемпературных катодов (Та, 2гС,
Следует отметить, что при любом способе подогрева катода необходимо обеспечить его работу в режиме ограничения тока пространственным зарядом для получения стабильных параметров электронного пучка. Поэтому с целью исключения влияния возможных случайных колебаний температуры катода на ток пучка рабочую температуру катода выбирают на 5-10 % большей, чем это необходимо для получения заданного тока пучка.
При подогреве катода электронной бомбардировкой предъявляются особые требования к источнику тока накала и источнику тока бомбардировки. Из условий экономичности подогрева и уменьшения напряжения бомбардировки расстояние между подогреваемым катодом и спиралью (источником электронов) выполняется минимальным (0,5-1,5 мм). При этом во время разогрева эмиттера возникает эффект положительной обратной связи между нитью накала и эмит-
тером. Если не принять соответствующих мер, лавинообразное повышение электронного тока подогрева приводит к перегреву и даже расплавлению эмиттера. К таким же последствиям приводит активирование вольфрамовой спирали продуктами испарения ЬаБ6 или 2гС. Поэтому для обеспечения стабильности подогрева катода в источнике питания цепей электронного подогрева должна быть исключена возможность самопроизвольного увеличения тока бомбардировки.
Несмотря на большое количество конструкций катодов сварочных пушек, этот узел пушек не удовлетворяет требованиям производства, как по стабильности параметров, так и по своей долговечности. Поэтому работы по созданию пушек с надежными катодными узлами ведутся в настоящее время во многих исследовательских организациях.
Библиографическая ссылка
1. Назаренко О. К., Истомин Е. И., Лопшин В. Е. Электронно-лучевая сварка. Харьков, 1985.
© Пашкин А. Н., Болдарев Е. А., 2014
УДК 621.791.722
А. Н. Пашкин, Е. А. Болдарев Научный руководитель - В. В. Богданов Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СВАРОЧНЫХ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ПУШЕК
Рассмотрены конструктивные особенности, принципиальный поузловой состав пушек и выявлены определённые преимущества и недостатки существующих сварочных электронно-лучевых пушек.
Сварочная электронная пушка - достаточно сложный и совершенный электронный прибор. В процессе создания сварочных пушек был решен ряд принципиальных вопросов, не возникавших до начала применения пучков ускоренных электронов в целях сварки и плавки металлов.
В первых пушках для электронно-лучевой сварки пучок электронов формировался только с помощью прикатодного электрода, без применения дополнительных фокусирующих систем. Анодом пушки являлось само изделие. Так как фокусное расстояние электростатического прожектора мало меняется при пропорциональном изменении потенциалов на его электродах, то такая пушка может питаться малостабильным выпрямленным напряжением.
Наряду с простотой такой пушки следует отметить следующие значительные ее недостатки [1].
1. Однокаскадная электростатическая система фокусировки, особенно в сочетании с низким ускоряющим напряжением, не может обеспечить формирование интенсивного электронного пучка с высокой плотностью энергии. Поэтому с ее помощью невозможно соединение тугоплавких металлов толщиной более 1-2 мм.
2. В пушке для облегчения формирования острофокусного пучка максимально уменьшается поверх-
ность эмитера, что приводит к перенапряженному режиму его работы при значительных токах. Вследствие этого вольфрамовая спираль, обычно используемая в качестве эмитера, выходит из строя уже через несколько часов работы.
Технологические и электронно-оптические характеристики пушки с однокаскадной электростатической фокусировкой повышаются при введении в конструкцию ускоряющего электрода, находящегося под потенциалом изделия.
В пушках с однокаскадной электростатической фокусировкой обычно используются ускоряющие напряжения не выше 20 кВ. Такие пушки уже в начале шестидесятых годов были вытеснены из сферы промышленного применения пушками с более надежными электронно-оптическими системами.
Наиболее широко в сварочных пушках применяется комбинированная (электростатическая и электромагнитная) фокусировка. В пушках с такой фокусировкой пучка прожектор, состоящий из катода, прикатодного электрода и ускоряющего электрода -анода, формирует сходящийся пучок электронов. Минимальное сечение пучка - кроссовер - проектируется (обычно с уменьшением) на свариваемое изделие с помощью электромагнитной фокусирующей системы.
