CC BY
30
УДК 621.791.72
УПРАВЛЕНИЕ ТОКОМ ПУЧКА ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ
Д. С. Крылов*; А. Е. Лабутин Научный руководитель - В. В. Богданов
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: krylov-denis88@yandex.ru
Рассмотрены особенности управление током пучка при электронно-лучевой сварке в наукоемких и высокотехнологичных областях машиностроения. Способы регулирования мощности пучка электронов электронно-лучевой пушки.
Ключевые слова: электронно-лучевая сварка, электронно-лучевая пушка.
CONTROL OF BEAM CURRENT IN ELECTRON BEAM WELDING
D. S. Krylov*; A. E. Labutin Scientific Supervisor - V. V. Bogdanov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: krylov-denis88@yandex.ru
The features of beam current control in electron beam welding in high-tech and high-tech fields of engineering are considered. Methods for regulating the electron beam power of an electron beam gun.
Keywords: electron beam welding, electron beam gun.
Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) получила широкое распространение в наукоемких и высокотехнологичных областях машиностроения. По сравнению с традиционными дуговыми процессами сварки ЭЛС отличается рядом преимуществ. Высокая концентрация энергии в электронном пучке обеспечивает получение сварного соединения с минимальными размерами зоны термического влияния, минимальный коэффициент формы сварного шва (до 0,05), низкой погонной энергии, а также обеспечивает формирование узкого и глубокого канала проплавления. Такие особенности ЭЛС позволяют соединять за один проход металлы и сплавы толщиной от 0,1 до 400 мм. Выполнение ЭЛС в вакууме исключает загрязнение металла шва вредными примесями, попадающими из атмосферы. Малый объем литого металла и кратковременность теплового воздействия при ЭЛС обеспечивают незначительные термические деформации свариваемых деталей. ЭЛС обеспечивает качественное изготовление изделий из тугоплавких металлов, изделий из термически упрочнённых материалов, когда нежелательна, затруднена или невозможна последующая термообработка, изделий после завещающей механической обработки при необходимости обеспечения минимальных сварочных деформаций.
Как и при любом способе сварки плавлением, величина сварного тока при ЭЛС является одним из основных параметров режима сварки, существенно влияющих на прочность и геометрические характеристики сварного шва.
Сварочная электронно-лучевая пушка (ЭЛП) - достаточно сложный электронный прибор, включающая эмиссионную, фокусирующею и отклоняющею систему (рис. 1). Эмиссионную систему образует катод, управляющий электрод и анод. Минимальное сечение пучка на выходе эмиссионной системы - кроссовер - отображается с помощью фокусирующей системы в виде фокусного пятна вблизи поверхности свариваемого изделия.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2019. Том 1
Известны следующие способы регулирования мощности пучка электронов ЭЛП: изменение тока эмиссии катода, изменение ускоряющего напряжения и изменением отрицательного потенциала управляющего электрода эмиссионной системы пушки.
При управлении током пучка регулирование тока накала катод не работает в режиме ограничения тока эмиссии пространственным зарядом и органичные условия вдоль потока электронов не остаются постоянным. При этом существенно изменяются угол расходимости пучка, положение и размеры кроссовера. Данный способ регулирования мощности пучка в современных энергоблоках для ЭЛС не применяется [1].
В случаи изменения ускоряющего напряжения удается регулировать мощность в пучке практически без изменения положения кроссовера, поскольку полная проводимость О = 1п / Ц/у^
эмиссионной системы остается неизменной, и, следовательно, остается неизменной электрические условия вдоль границы пучка. Однако изменения ускоряющего напряжения требует изменить токи фокусировки и отклонения (/ф ~ иуск, /^тк ~ иуск), чтобы сохранялись размеры и положения фокусного пятна на изделии. Поэтому данный способ регулирования мощности пучка в современных энергоблоках для ЭЛС практически не применяется.
Основным способом регулирования мощности пучка, стабилизации заданного ее значения, импульсной модуляции, плавного уменьшения при прекращении процесса сварки является изменение отрицательного потенциала управляющего электрода при работе катода в режиме ограничения тока эмиссии пространственным зарядом. Когда на управляющий электрод подан значительный отрицательный потенциал относительно катода, на всей поверхности катода электриче-
Схема ЭЛП:
Бкр - диаметр кроссовера; dф.п - диаметр фокусного пятна; ОС - отклоняющая система
ское поле является тормозящим для электронов. Потенциальный рельеф имеет «седловину» перед катодом. Катод заперт, ток пучка равен нулю. Если теперь увеличивать потенциал на модуляторе, то напряжение тормозящего поля перед катодом будет уменьшаться. При некоторых значениях потенциала управляющего электрода точка «седловины» достигнет поверхность катода. В центральной точке катода при этом градиент потенциала равен нулю, но в других точках катода поле по-прежнему еще тормозящее. На малом центральном участке термоэлектроны уже покидают катод за счет собственных начальных скоростей. Однако размеры этого участка так малы, а ограничивающие действие пространственного заряда столь значительно, что ток пучка при этом практически все еще равен нулю. При дальнейшем повышении потенциала управляющего электрода в средней части поверхности катод возникает область, где электрическое поле становиться ускоряющим для электронов. Этот участок и будет служить рабочей поверхностью катода. По мере повышения потенциала на модуляторе будет одновременно увеличиваться радиус рабочей поверхности катода и напряженность ускоряющего поля [2].
Зависимость тока пучка от напряжения между катодом и управляющим напряжением при постоянном ускоряющем напряжении называется модуляционной характеристикой эмиссионной системы, а напряжение изап, при котором ток пучка становится равным нулю, называется запирающим напряжением.
При увеличении отрицательного смещения на управляющем электроде искажения, вносимые в пучок, минимальные, если действие смещения сводится к уменьшению эмитирующей поверхности вследствие ограничения эмиссии с краев катода.
Библиографические ссылки
1. Электронно-лучевая сварка / Назаренко О. К., Кайдалов А. А., Ковбасенко С. Н. и др. ; под ред. Б.Е. Патона. Киев : Наук. думка, 1987. 256 с.
2. Схемотехника управление током сварного пучка электронов / Назаренко О. К. - Киев; Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, 2013. 56 с.
3. Энциклопедия: Машиностроение: Раздел III: Технология производства машин. Т. III - 4: Технология сварки, пайки, резки / под ред. Б. Е. Патона ; М. : Машиностроение, 2006.
© Крылов Д. С., Лабутин А. Е., 2019
