Brevet FR2395600A1 — publié le 19790119

La présente invention concerne les canons à électrons de soudage et a notamment pour objet un ensemble cathodique de canon à électrons de soudage à cathode discorde chauffée par bombardement électronique à l'aide d'une cathode spiralode. Elle peut trouver des applications dans les domaines connexes de la technique des faisceaux d'électrons. A l'heure actuelle, dans les ensembles cathodiques des canons à électrons de soudage, une grande extension est donnée aux cathodes chaudes, notamment aux cathodes chauffées par bombardement électronique. En tant que cathodes chaudes on utilise le plus souvent, dans les canons à électrons de soudage, des cathodes discordes en hexaborure de lanthane (LaB6) ou tantale, et le chauffage par bombardement électronique est d'ordinaire réalisé au moyen d'une spirale en tungstène à chauffage direct, fixée dans des pièces d'amenée de courant appropriées L'emploi d'une spirale en tantale à chauffage direct pour le chauffage par bombardement électronique s'avère désavan tageux, car le prix du tantale, à l'heure actuelleest est élevé.- plus élevé que celui du platine-et les constantes d'émission du tungstène 6 du tantale ne diffèrent que d'une manie insignifiante. Le caractère spécifique des conditions de travail des canons à électrons de soudage: flux de vapeur du matériau à souder, fort bombardement ionique, présence d'air dans l'scdnte de soudage, etc. , limite la durée de vie des cathodes et des dispositifs de chauffage, rend nécessaire la création d'easembles cathodiques démontables pour les canons à électrons de soudage. Pendant la durée de service réglementaire de la spirale à chauffage direct assurant le bombardement électronique de la cathode discoïde dans l'ensemble cathodique du canon à électrons de soudage, la fiabilité de la spirale en fonctinri- nement est déterminée tant par sa conception que par la manière dont elle est fixée aux pièces d'amenée du courant. I1 est aussi nécessaire de tenir compte du fait que, dans le matériel de soudage par bombardement électronique destiné aux fabrications en petites séries , la redondance des canons à électrons de soudage, y compris celle des cathodes n'est pas usitée d'ordinaire, aussi la diminution de la durée du remplacement de la cathode et du dispositif de chauffage se traduit-elle par une réduction des tesps morts du matériel de production. On connatt un ensemble cathodique de canon à électrons de soudage, comprenant une cathode discoïde fixée dans la tubulure d'un support, etune spirale de chauffage par bombardement électronique, montée dans des pièces d'amenée de courant. La spirale en fil métallique de l'ensemble cathodique connu de canon à électrons de soudage est réalisée en tungstène, sous la forme d'une spirale d'Archimède plane se transformant à ses extrémités en deux hélices cylindriques, l'une extérieure, l'autre intérieure, disposées d'un méme côté du plan de la spirale plane et destinées à ta fixation aux pièces d'amenée de courant respectives. Dans cet ensemble cathodique connu, la pièce d'amenée de courant pour la fixation de partie cylindrique intérieure de la spirale du dispositif de chauffage est réalisée sous la forme d'une tige mince en matériau réfractaire, par exemple en molybdène, dont le bout est fileté au meme pas que celui de l'hélice cylindrique intérieure de la spirale. Pour la fixation de la partie cylindrique extérieure de la spirale du dispositif de chauffage , la pièce d'amenée de courant extérieure de ensemble cathodique est réalisée sous la forme d'un tube dont une partie est filetée. Un tel ensemble cathodique de canon à électrons de soudage présente les inconvénients suivants: -la forme de la spirale du dispositif de chauffage est compliquée, ce qui rend sa fabrication difficile; -les filbces d'amenée de courant ne sont pas fiables-en fonctionnement , surtout la pièce d'amenée de courant pour la fixation de la partie cylindrique intérieure de la spirale (afin de ne pas diminuer la surface effective de la spirale, la pièce d'amenée de courant à bout fileté pour la fixation de la partie intérieure de la spirale doit être fine, aussi lahaute température de travail de la spirale , de 2600 à 27BOOK, metelle rapidement hors d'usage cette pièce d'amenée de courant) -la durée du remplacement d'une spirale grillée par une spirale neuve est longue, par suite de la nécessité d'éliminer les restes de la spirale grillée, de manipuler avec précaution la piècé d'amenée de courant centrale fine, ainsi que du remplacement compliqué de la spirale chauffante ayant une telle forme. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients énumérés plus haut de l'ensemble cathodique de canon à électrons de soudage. On s'est proposé pour cela de créer un ensemble cathodique de canon à électrons de soudage qui,grace à certaines modifications de la conception des pièces d'amenée de courant et de la spirale, assurerait une augmentation de la fiabilité des pièces d'amenée de courant, une simplification de la technologie mise en oeuvre pour leur fabrication, une simplification de la forme de la spirale du dispositif de chauffage et une réduction du temps nécessaire au remplacement de la spirale du dispositif de chauffage lorsqu'elle est hors d'usage. La solution consiste en ce que , dans l'ensemble cathodique de canon à électrons de soudage, du type comprenant une cathode discorde fixée dans la tubulure en forme de gobelet d'un support, et une spirale de chauffage montée dans des pièces d'amenée de courant, d'après l'invention la spirale de chauffage est plane et comporte une extrémité centrale relevée perpendiculairement au plan de la spirale et présentant des ondulations le long de son axe , l'une desdites pièces d'amenée de courant, celle dans laquelle s'engage ladite extrémité centrale relevée, étant réalisée sous la forme d'une tige comportant une cavité étagée le long de son axe, tandis que l'autre pièce d'améede courant est réalisée sous la-forme d'un tube comportant à son extrémité une gorge circulaire intérieure dans laquelle s'engage la spire extérieure de la spirale du-dispositif de chauf- fage. L'ensemble cathodique de canon à électrons de soudage, de constitution conforme à l'invention, se distingue par layon ception simple du dispositif de chauffage et par sa fabrication commode. L'enroulement de la spirale plane à extrémité centrale relevée s'effectue à l'aide de dispositifs simples sur une machine-outil quelconque telle qu'un tour, une perceuse,etc., avec une bonne reproductibilité des dimensions. Les ondulations de l'extrémité centrale relevée, grace auxquelles, pendant le fonctionnement,les forces d'élasticité et de frottement maintiennent cette extrémité dans la pièce d'amenée de courant constituée par une tige à cavité axiale étagée, peuvent être réalisées à la main, par exemple avant la mise en place de la spirale du dispositif de chauffage dans l'ensemble cathodique. Les pièces d'amenée de courant du dispositif de chauffage entrant dans la composition de l'ensemble cathodique de canon à électrons de soudage conforme à l'invention , se distinguent par la simplicité de leur conception et la facilité de leur fabrication. L'absence d'éléments de serrage, de filetages,etc., dans les pièces d'amenée de courant pour la fixation de la spSak du dispositif de chauffage, leur confère une grande longévité et une bonne fiabilité en fonctionnement. Le remplacement de la spirale du dispositif de chauffage entrant dans la composition de l'ensemble cathodique de canon à électrons de soudage conforme à l'invention, est simple et s'effectue sans dépenses de temps notables. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée par la description d'un exemple de réalisation non limitatif avec références au dessin unique annexé, dans lequel: -la figure 1 représente une vue en coupe de l'ensemble cathodique de canon à électrons de soudage conforme à l'invert!ai; -la figure 2 représente une vue de dessus de la spirale de chauffage; -la figure 3 représente une vue de côté de la spirale de chauffage. L'ensemble cathodique de canon à électrons de soudage conforme à l'invention comprend une cathode discorde 1 (figure 1) réalisée sous la forme d'une pastille, par exemple en hexaborure de lanthane (LaB6) ou en tantale , et placée, avec un-certain jeu suivant son périmètre, dans la tubulure en forme de gobelet d'un support 2. La tubulure du support 2 est en matériau réfractaire à faible pouvoir émissif, par exemple en molybdène. Le support 2 a un trou central 3 dans le fond 4 de sa tubulure. La dimension du trou central 3 détermine la valeur de la surface émissive de la cathode discoide 1. Pour obtenir différentes gammes de courant dans la faisceau d'électrons, l'ensemble cathodique est doté de deux ou trois supports 2, dans chacun desquels le diamètre du trou central 3 ménagé dans la tubulure du support 2 est différent des autres. Dans la surface intérieure de la tubulure du support 2 est réalisé un évidement conique 5 s'élargissant à mesure qu'on se déplace vers la cathode discorde 1, et recevant un anneau fendu 6 en matériau réfractaire, par exemple en tungstène ou en molybdène L'anneau fendu 6 assure un serrage uniforme de la cathode discolde 1 contre le fond 4 de la tubulure du support 2. Lors de la fabrication du support 2 on assure le parallélisme entre, d'une part le plan de portage du support 2 sur la portée 7 de la pièce 8 d'amenée du courant à la cathode et d'autre part, le plan du fond 4 de la tubulure du support 2, contre lequel est serrée la cathode discoide 1, ainsi que l'alignement entre , d'une part , l'épaulement de portée 9 du 2, centrant le support 2 dans la zone de portée 7 de la pièce 8 d'amenée du courant à la cathode, et , d'autre part, l'axe du trou central 3 ménagé dans le fond 4 de la tubulure.Ce parallélisme et cet alignement ne changent pas au cours du fonc tionnement de l'ensemble cathodique du canon à électrons de soudage, ce qui assure la constance de la géométrie de l'optique électronique de 11 ensemble cathodique , aussi bien pendant le fonctionnement que lors du remplacement d'une cathode discorde 1 mise hors d'usage par une cathode neuve. Le support 2, monté avec ajustement dans la pièce 8 d'amenée de courant à la cathode, est réalisé en acier inoxycabe. Il est serré contre la portée 7 de la pièce 8 d'amenée de courant par un anneau fendu 10 en matériau réfractaire, par exemple en tungstène ou en molybdène. L'anneau fendu 10 estengagé dans un évidement conique 11 de la pièce 8 d'amenée de courant à la cathode. Les anneaux fendus 6 et 10 assurent le fonctionnement de l'ensemble cathodique du canon à électrons de soudage quelle que soit la position de celui-ci. Dans l'enceinte de la pièce + d'amenée de courant à la-- cathode est montée coaxialement une pièce d'amenée de courant 12 de forme tubulaire, par exemple en molybdène, comportant à son extrémité orientée vers le support 2 une gorge circulaire 13. Dans la pièce d'amenée de courant 12 est montée coaxialement une pièce d'amenée de courant 14, par exemple, en molybdène. La pièce d'amenée de courant 14 est une tige creuse dont la cavez a une forme étagée, avec une partie 15 de petit diamètre et une partie 16 de diamètre plus grand, la partie 15 étant celle se se trouvant le plus près du support 2. La spirale pour le chauffage de la cathode 1 est une spirale plane 17 (figures j et 2) en matière appropriée, par exemple en tungstène, dont l'extrémité centrale 18 (figures 1 et 3 ) est relevée perpendiculairemenià son plan et a une forme ondulée. L'extrémité centrale ondulée 18 delta spirale plane 17 (figure 1) est engagée dans la partie 15'de petit diamètre de la cavité de la tige creuse constituant la pièce d'amenée de courant 14. La spire extérieure 19 (figure 2) de la spirale plane 17 est engagée, de façon à assurer le contact électrique nécessaire, dans la gorge circulaire intérieure 13 (figure 1) réalisée à l'extrémité de lakièce d'amenée de courant 12. Le remplacement d'une spirale grillée de l'élément chauffant par une spirale neuve s'effectue dela façon suivante. La pièce 8 d'amenée de courant à la cathode étant enlevée avec le support 2 de la cathode et les autres pièces montées s V elle,les pièces d'amenée de courant 14 et 12 deviennent accessibles. Au moyen d'un outil à arête vive, d'un scalpel par exemple, on débarrasse la gorge circulaire 13 des restes cassants de la spirale grillée 17. Si le reste du bout 18 de la spirale 17 grillée dépasse de la partie 15 de la cavité de la pièce d'amenée de courant 14, on l'extrait au moyen d'un outil approprié, par exemple de brucelles.Si le reste du bout 18 de la spirale plane 17 grillée ne dépasse pas de la partie 15 de la cavité de la pièce d'amenée de courant, on le pousse tout simplement de la partie 15 vers la partie 16 de la cavité de la pièce d'amenée de courant 14 à l'aide du bout central 18 relevé et ondulé de la nouvelle spirale plane 17 mise en place dans le dispositif de chauffage. Cette opération ne requiert aucune dépense de temps supplémentaire. De la sorte, la partie 16 de grand diamètre de la cavité de la tige d'amenée de courant 14 sert à recevoir les restes cassants des bouts 18 des spirales grillées. De temps en temps, d'ordinaire après avoir remplacé quelques dizaines de spirales grillées, on dépose la pièce d'amenée de courant 14 afin de la débarrasser des restes qui s'y sont accumulés , puis , après l'exécution de cette opération , on la-remeten place, On engage la spire extérieure 19 (figure 3) de la nouvelle spirale plane 17 du dispositif de chauffage dans la gorge circulaire 13 (figure 1) à l'aide, par exemple,d'un scalpel. L'ensemble cathodique de canon à électrons de soudage faisant l'objet de l'invention fonctionne de la façon suivante. Quand le courant de chauffage circule dans la spirale plane 17, celle-ci est portée à la température de travail (de l'ordre de 2500 à 26000K) ,- à laquelle les électrons émis par la surface de la spirale plane 17 et accélérés par le champ de la tension d'accélération fournie par une source de courant continu à tension de l'ordre de 800 à 1000V (le pôle positif de la source de courant continu est raccordé à la cathode discoide 1, et son p81e négatif, à la spirale plane 17), bombardent la surface de la cathode discoide 1, en provoquant son échauffement jusqu'à la température de travail. Le faisceau d'électrons 20 émis par la cathode discoIde 1 et limité par le trou central 3 ménagé dans le fond 4 de la tubulure du support 2 est focalisé par l'électrode21.pcée auprès dela cathode 1 et par l'anode 22. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la revendication qui suit. REVENDICATION Ensemble cathodique de canon à électrons de soudage, du type comprenant une cathode discoide fixée dans la tubulure en forme de gobelet d'un support, et une spirale de chauffage moeibt dans des pièces d'amenée de cuurant, caractérisé en ce que la spirale 17 de chauffage de la cathode discoIde est une spirale plane comportant une extrémité centrale relevée perpendiculairement au plan de ladite spirale et présentant des ondulations le long de son axe, l'une des pièces d'amenée de courant à la spirale, dans laquelle s'engage ladite extrémité centrale relevée perpendiculairement au plan de la spirale , étant réalisée sous la forme d'une tige comportant une cavité étagée le long de son axe, tandis que l'autre pièce d'amenée de courant est réalisée sous la forme d'un tube comportant à son extrémité orientée vers la cathode une gorge circulaire intérieure dans laquelle est engagée la spire extérieure de ladite spirale de chauffage.