CC BY
0
УДК.621.791.18
МОДЕРНИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПУШКИ КЭП-2М
Б. Т. Десятов*, О.В. Щербина, Д. Л. Никульшин Научный руководитель - Л. Г. Семичева
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, пр. имени газеты «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: desvatoff@mail.ru
Проведен анализ конструкторских особенностей применяемых в настоящее время электронно-лучевых пушек для ЭЛС и предложены мероприятия по модернизации электронно-лучевой пушки КЭП-2М с целью расширения технологических возможностей, простоты обслуживания, а также многократной смены быстроизнашивающихся катодов.
Ключевые слова: электронно-лучевая сварка, электронно-лучевая пушка, катоды, источник, питания, модернизация.
MODERNIZATION OF THE ELECTRON-BEAM GUN KEP-2M
B. Т. Desytov*, О. V. Shcherbina, D. L. Nikulshin Scientific Supervisor - l.G. Semicheva
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
*E-mail: desyatoff@mail.ru
An analysis of the design features of currently used electron beam guns for EBWs has been carried out and measures have been proposed to modernize the KEP-2M electron beam gun in order to expand technological capabilities, ease of maintenance, as well as multiple replacement of wearable cathodes.
Keywords: electron beam welding, electron beam gun, cathodes, source, power supply, modernization.
Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) является наиболее перспективным способом соединения изделий авиакосмической промышленности, позволяющая соединять за один проход металлы и сплавы толщиной от 0,1 до 400 мм.
В настоящее время модернизация сварочного оборудования для ЭЛС с большим сроком эксплуатации является важной задачей, так как покупка нового оборудования требует значительных затрат.
В связи с этим целью работы является модернизация электронно-лучевой пушки КЭП-2 М на основе анализа конструкторских особенностей применяемых в настоящее время высоковольтных электронных пушек.
При ЭЛС для нагрева и расплавления основного металла используется энергия, получаемая в результате бомбардировки его ускоренными электронами, сформированными в узкий пучок. Для сварки обычно применяются аксиально-симметричные конические, реже цилиндрические электронные пучки.
Формирование мощного электронного пучка с малыми поперечными размерами осуществляется сварочной электронной пушкой (ЭЛП) с соответствующими источником высоковольтного питания и системами управления.
Основными трудностями формирования электронных пучков для сварки являются «технический вакуум», мощный направленный парогазовый поток из сварочной ванны, частые разгерметизации объема пушки, а также необходимость высокой эксплуатационной надежности, простоты обслуживания и ремонта пушки, возможность многократной смены быстро изнашиваемых деталей персоналом средней квалификации с обеспечением полной воспроизводимости характеристик пучка.
Основные узлы пушки - прожектор, состоящий из катода, прикатодного электрода и ускоряющего электрода — анода; система магнитной фокусировки и система отклонения пучка электронов.
Перспективна эмиссионная система с полым разрядным катодом.
Конструктивно катоды выполняются прямонакальными и с косвенным подогревом [1].
Прямонакальные катоды более просты в изготовлении, но имеют ряд существенных недостатков. В прямонакальном катоде трудно обеспечить правильную геометрическую форму эмитирующей поверхности. Кроме того, ток, разогревающий прямонакальный катод, создает значительное магнитное поле, отклоняющее эмитированные электроны от оси эмиссионной системы. При разогреве катода переменным током пучок «раздваивается», а при разогреве постоянным током наблюдается сдвиг оси пучка относительно геометрической оси эмиссионной системы. Для компенсации этого сдвига необходимо введение специальных корректирующих механических или электрических устройств, либо применение прямонакальных «бифилярных» катодов. Долговечность прямонакальных катодов составляет менее 1 ч. Поэтому прямонакальные катоды рационально применять в аппаратуре с плотностями тока (1 - 2)*104 А/м2 или с небольшими циклами работы.
Основным типом катодов сварочных пушек являются катоды с косвенным подогревом с помощью электронной бомбардировки. Они имеют более равномерную по поверхности плотность эмиссии и являются эквипотенциальными.
Эмиссионная способность и скорость испарения катода зависит от его материала. Для изготовления катодов ЭЛП применяют вольфрам, тантал и лантанборид (ЬаБ6), обладающий лучшими эмиссионными свойствами. Лантанборидные катоды металлизируются парами металлов с температурой плавления, равной рабочей температуре катода или выше ее, т.е. титаном, молибденом, вольфрамом и др. К достоинствам лантанборидного катода следует отнести стойкость против отравления и ионной бомбардировки, сохранение эмиссионных свойств при длительном пребывании в активированном состоянии на воздухе, а также незначительные затраты на разогрев. Недостатком лантанборидного катода является подверженность его влиянию паров свариваемых материалов.
Основным показателем стабильности работы катодов является уменьшение тока пучка электронов за 1 час работы в относительных единицах или процентах при постоянных ускоряющем напряжении и напряжении на фокусирующем электроде. Спадание тока во времени можно объяснить нарушением исходного положения и конфигурации эмитирующей поверхности катода из-за уноса его материала в результате испарения и ионной бомбардировки. Температурные деформации эмиссионной системы при правильном ее конструктивном исполнении влияют на величину тока луча только в течение первых 5...10 минут.
Исследование влияния различных факторов на стабильность лантоборидных катодов показало, что эксплуатационные характеристики этих катодов зависят в значительной мере от структуры их материала, степени его чистоты и технологии изготовления. Наилучшие результаты по скорости снижения тока пучка за 1 час работы были получены при
использовании монокристаллического гексаборида лантана, полученного индукционной плавкой с одновременной зонной очисткой.
Экспериментами также установлено, что на эксплуатационную стабильность лантанборидных катодов оказывает влияние давление остаточных газов и химический состав этих газов. При работе лантанборидного катода в условиях высокого вакуума 2,66*10 Па общая глубина выработки катода за 40 часов непрерывной работы не превышает 0,08 - 0,1 мм. Если лантанборидный катод подлежит замене после выработке его поверхности на глубину 0,3 мм, срок службы катода в этих условиях составит 100 - 120 часов. Интенсивный спад тока пучка при работе такого же катода в плохом вакууме происходит в результате испарения легколетучих материалов, образуемых на поверхности катода в результате химического взаимодействия материала катода с химически активными компонентами воздуха (кислород, азот и др.). В связи с этим повышение срока службы лантанборидного катода можно реализовать созданием одно-или многоступенчатой дифференциальной откачки из полости пушки.
Экспериментально установлено, что стабильность положения плоскости фокусировки пучка, эмитированного лантанборидным катодом, составляет ± 2 %.
Массивные металлические термокатоды из вольфрама или тантала обеспечивают по сравнению с лантанборидными катодам стабильность тока пучка, так как значительно медленнее испаряются в процессе эксплуатации, не отравляются продуктами разложения углеводородов и не запылятся тугоплавкими элементами свариваемых материалов ввиду высокой рабочей температуры. При использовании массивного шайбового танталового катода ток пучка изменяется на 3 % в течение 3 часов непрерывной работы, а минимальный радиус пучка и его положение остается практически неизменным, несмотря на возникновение в центре катода ионного кратера. В условиях промышленной эксплуатации срок службы металлического катода с эмитирующей поверхностью диаметром 4 мм составляет 16 часов при 1п = 400 мА и 100 ч при 1п = 50 мА.
Широкое применение в сварочных электронных пушках нашли штыревые вольфрамовые катоды различных диаметров с электронным нагревом. Иногда используют вольфрамовые катоды, наплавленные по торцу танталом. При сварке малых толщин используются катоды диаметром 0,6 мм, позволяющий получить ток луча I = 40 мА. Для сварки материалов средних и больших толщин используют катоды диаметром 1 и 1,5 мм, обеспечивающие ток луча 1= 200 мА. Минимальный диаметр пучка при этом составляет 0,2 - 1 мм. Имеется опыт применения штыревых вольфрамовых катодов с диаметром эмитирующей поверхности 4 мм обеспечивающих I = 1 А. Плотность тока эмиссии с торцовой поверхности чисто вольфрамового катода изменяется от 80 А/м2 при Ткат = 2160 К до 8*104А/м2 при Ткат = 2910 К. Температура эмитирующей поверхности катода при ёкат = 4 мм достигается при мощности электронной бомбардировки 160 Вт.
В качестве источника питания электронных пушек применяются высоковольтные источники питания с проходной лампой типа ЭЛА60/60. Первая цифра указывает номинальную мощность пучка в кВт, а вторая - величину ускоряющего напряжения в кВ. Современные высоковольтные источники питания отличаются высокой стабильностью, способностью подавлять развитие пробоев в пушке. Их мощность составляет до 7,5 кВт для диапазона ускоряющих напряжений 20 - 30 кВ, до 60 кВт при иуск = 60 кВ, до 120 кВт при иуск = 60 кВ и до 30 кВт при Иуск = 175 кВ.
В настоящее время все большее применение для ЭЛС металлов малых толщин находят инверторные источники питания. Эти источники обладают хорошими технологическими характеристиками, большим быстродействием регуляторов и защиты. Системы управления источников обеспечивают оптимальное преобразование энергии при стабилизации и габариты при стабилизации ускоряющего напряжения и мощности электронного пучка. Высоковольтный источник имеет меньшие массу и габариты [1].
Проведенный анализ конструкций ЭЛП с различными типами катодов и источников питания создал предпосылки для проведения модернизации электронно-лучевой пушки КЭП-2М, которая размещена на камере установки ЭЛУ-8. В ходе модернизации были проведены следующие виды работ:
1. Замена катода из поликристаллического гексаборида лантана на катод из монокристаллического гексаборида лантана и установка его в керне. Это позволило повысить качество эмиссии, не нарушая оптическую ось пушки и ускорить подготовку пушки к работе.
2. Замена изоляции из капрола на керамическую, что позволяет предотвращать пробои и разряды, происходящие в результате нарушений вакуумной изоляции.
3. Применена модульная схема источника питания с заменой источника высокого напряжения (ИВН) на инверторный источник. Это позволило обеспечить стабильность работы пушки, повысить компактность и уменьшить массу источника и объем масла; а также обеспечить современные электронно-лучевые технологии необходимыми характеристиками оборудования (мощностью, ускоряющим напряжением) за счет использования соответствующих модулей.
4. Установка нового разъема для подвода высоковольтного кабеля питания на корпусе пушки, что упростило ремонт и обслуживание
5. Подвели систему охлаждение пушки проточной водой, установили радиатор с увеличенной площадью, в связи, с чем улучшились условия охлаждения корпуса и масла, уменьшилось получение засоров, и улучшилась очистка каналов.
Процесс ЭЛС образца-имитатора на установке СУЭЛС - IVA, оснащенной модернизированной ЭЛП, показал стабильность воспроизведения режимов сварки и управления параметрами сварки, а результаты контроля качества круговых сварных швов установили отсутствие недопустимых дефектов.
Проведенная модернизация пушки КЭП-2М позволила расширить технологические возможности пушки за счет использования модульной системы, обеспечить надежность и стабильность работы, уменьшить габариты и массу, а также упростить ремонт и обслуживание применяемого оборудования [2].
Библиографические ссылки
1. Электронно-лучевая сварка / О.К. Назаренко, А, А. Кайдалов, С.Н. Ковбасенко и др.//Под ред. Б.Е. Патона. - Киев: Наукова думка, 1987. -256 с.
2. Состояние и перспективы развития сварочного производства. Технология и оборудование электронно-лучевой сварки / В,В. Башенко, А. В.Баранов, П. Г. Петров, В.А. Каазаков // 2008. Сп-б: Агентство ООО « Вит-Принт», 2008. С.1-13.
© Десятов Б. Т., Щербина О.В., Никульшин Д. Л., 2022
