Brevet FR2395599A1 — publié le 19790119

La présente invention concerne les canons à électrons de soudage et a notamment pour objet un ensemble cathodique de carn à électrons de soudage à cathode discoide chauffée par bombardement électronique. 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 à l'aide d'un élément à chauffage direct. Par suite de leurs conditions de travail spécifiques (action du flux de vapeur de la matière à souder, s'accompagpant d'un bombardement ionique), les cathodes chaudes des canons à électrons de grande puissance, y compris les cathodes chauffées par bombardement électronique, sont caractérisées par la courte durée de travail pendant laquelle les changements de la géométrie de l'électronique optique et des caractéristiques d'émission de la cathode ne dépassent pas les limites admises par la technologie concrète considérée. C'est pourquoi il y a un avantage évident à employer , dans les canons à électrons de soudage , des ensembles cathodiques démontables permettant le remplacement rapide de la cathode avec reproduction de la géométrie initiale de l'optique électronique. I1 est également nécessaire de tenir compte du fait que, dans le matériel de soudage par bombardement électronique destiné aux fabrications en petites sériez la redondance des canons à électrons de soudage , y compris celle des cathodes, n'est pas usitée, aussi la diminution de la durée du remplacenmt de la cathode se traduit-elle par un abaissement des temps morts du matériel de production. Dans l'étude des canons à électrons de soudage on observe une tendance continuelle à accroître la puissance des canons, ce qui est dicté principalement par toute une série d'impératifs technologiques: augmentation des épaisseurs à souder, des vitesses de soudage, etc. On peut noter deux orientations principales du développement des canons à électrons: 1) création de canons à électrons de soudage de grande puissance utilisant des tensions d'accélération élevées (150kV 200kV et au-dessus) et des intensités modérées du courant dans le faisceau d'électrons; 2) création de canons à électrons de soudage de grande puissance utilisant une grande intensité de courant dans le faisceau d'électrons (jusqu'à 1 ampère et au-delà) et une tendon d'accélération basse ou modérée (25 à 50 kV). La première de ces orientations du développement se haute à des difficultés sérieuses dans la création d'installations industrielles de soudage par bombardement électronique, dues à la nécessité d'une protection biologique fiable du personnel contre les rayons X. Le problème de la protection biologique fiable du persarel est résolu plus simplement quand ce sont les canons à électrons de la seconde orientation précitée qui sont utilisés. C'est pour cette raison que l'on trouve un plus grand nombre d'installations de soudage par bombardement électronique utilisant une tension d'accélération soit basse, soit modérée. La réalisation d'ensembles cathodiques pour canons à électrons de soudage de grande puissance s'est heurtée à des difficultés déterminées en ce qui concerne leur efficacité, leurs qualités économiques, leur stabilité en cours de fonctionnement , la possibilité d'assurer un fonctionnement fiable et la reproductibilité des paramètres. On peut noter le passage à l'emploi de cathodes à chauffage indirect dans les ensembles cathodiques des canons à électrons de soudage, quoiqu'il existe encore des ensembles cathodiques à chauffage direct de la cathode. Ainsi, par exemple , on connatt un ensemble cathodique de canon à électrons de soudage, dont la cathode est à chauffage direct, en tantale, découpée et façonnée d'une manière appropriée Les grandes puissances nécessaires pour le chauffage d'une telle cathode, combinées à la difficulté de l'évacuation de la chaleur dans les conditions de fonctionnement dans le vide propres aux installations de soudage par bombardement électronique, limitent les possibilités d'utilisation d'un tel ensemble cathodique à mesure que s'accroissent les puissances des canons à électrons de soudage. On connaît aussi un ensemble cathodique de canon à électrons de soudage à cathode sous la forme d'une pastille métallique chauffée par bombardement électronique, dans lequel une gorge annulaire est usinée dans la cathode pour sa-fixation au support. Toutefois, par suite de la grande transmission de chaleur de la masse de la cathode au support, une telle cathode requiert une grande puissance de chauffage. Pour une surface émissive d'un diamètre de l'ordre de 5mm, la puissance de chauffage nécessaire s'élève environ à 1400 W. En outre, quand la cathode est fixée de cette façon, des changements de position de la surface émissive peuvent se produire pendant le fonctionnement, ce qui influe sur la qualité de l'optique électronique. On connaît un ensemble cathodique de canon à électrons de soudage avec une cathode métallique étagée à tige, chauffée par bombardement électronique à l'aide d'une hélice qui entoure la partie de ladite tige qui est adjacente à la face émissive. Toutefois , la conception d'un tel ensemble cathodique de canon à électrons de soudage n'est pas sans inconvénients: - l'intensité du courant dans le faisceau d'électrons est limitée (les cathodes créées-'admettent que des courants non supérieurs à 400 mA), par suite du petit diamètre (3 mm) de la surface émissive de la cathode; - le col étroit de la cathode étagée à tige , nécessaire pour diminuer l'évacuation de chaleur, détermine la possibilité de déformation de la cathode en cas d'irrégularité du chauffage par bombardement électronique, ce qui, d'ailleurs, se produit toujours. On connait aussi un ensemble cathodique de canons à électrons de soudage, dans lequel la cathode est une pastille de tantale à surface émissive concave en forme de calotte sphérique, engagée à force dans une tubulure en forme de gobelet à paroi mince et à fond sphérique convexe orientée vers l'anode et chauffée par bombardement électronique. Un tel ensemble cathodique présente les inconvénients suivants. La fixation de la cathode (de l'émetteur) réalisoesous la forme d'un disque ou d'une pastille dont le diamètre est d'ordinaire d'au moins 2 à 3 fois supérieur à son épaisseur sur sa surface latérale dans le support de la cathode (dans le cas considéré, dans la tubulure à paroi mince en métal réfractaire) n'assure pas la conservation de la géométrie initiale de 1'opSUe électronique du canon à électrons de soudage, par suite des déformations inévitablement subies par une telle cathode lors des chauffages à haute température et des refroidissements répétés; ceci rend difficile la reproduction de la géométrie de 1' optique électronique du canon à électrons de soudage lors du remplacement de la cathode.Du point de vue économique, la cathode ainsi réalisée est désavantageuse par suite de la transmission de chaleur relativement importante de la cathode à son support, due à ltengagement à force de ladite cathode dans ledit support. Le support de la cathode ne peut être utilisé qu'une seule fois (jusqu'au remplacement de la cathode), car après plusieurs chauffages à haute température et refroidissements, la tubulure à paroi mince en métal réfractaire constituant ce support ne peut conserver la cote d'ajustement à l'endroit où la cathode est engagée à force. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients énumérés plus haut. On stest proposé pour cela de créer un ensemble cathodique de canon à électrons de soudage qui, grace à certaines modifications de la conception du support, assurerait en cas d'utilisations répétées du support de la cathode, une amélioniln de la stabilité et de la reproductibilité de la géométrie de l'optique électronique de l'ensemble cathodique, ainsi qu'une élévation des qualités économiques de la cathode chauffée par bombardement électronique. La solution consiste en ce que , dans un 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 cathode de chauffage montée dans une pièce d'amenée de courant auprès de ladite cathode discoIde, d'après l'invention le fond de ladite tubulure , sur lequel est placée la cathode discoïde, comporte un trou central, tandis que dans la surface intérieure de ladite tubulure est ménagé un évidement conique s1 élargissant vers la cathode discoIde et dans lequel est disposé un anneau fendu en matériau réfractaire pour le serrage de la cathode discorde contre le fond de la tubulure du support. L'ensemble cathodique proposé est très économique, car la transmission de chaleur de la cathode discolde au support est rendue difficile . Ceci résulte du fait que la cathode dis coide est placée dans la tubulure avec un certain jeu suivant son périmètre, que la surface de contact entre la cathode discorde et le fond de la tubulure est petite, et que l'effort de serrage de la cathode discoIde contre le fond de la tubulure du support par l'anneau fendu est faible, tout en étant suffisant pour maintenir la cathode discoIde dans cet état pendant le fonctionnement du canon à électrons de soudage, et ce, quelle que soit la position de celui-ci. La rigidité du support en matériau réfractaire dans l'ensemble cathodique de canon à électrons de soudage faisant l'objet de l'invention, l'absence de liaison rigide entre ledit support et la cathode par engagement à force, etc.,permettent des réutilisations multiples du support avec conservation de valeurs stables de la géométrie de l'optique électronique. La conception simple du support et de l'anneau fendu de l'ensemble cathodique de canon à électrons de soudage, faisant l'objet de l'invention, permet de les fabriquer à peu de frais et de remplacer facilement une cathode discoIde hors d'usage par une cathode neuve. 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 d'un ensemble cathodique de canon à électrons de soudage conforme à 1'invention -la figure 2 représente l'anneau fendu placé dans la tubulure du support; -la figure 3 représente une variante de montage du suppzt dans l'amenée de courant de la cathode. L'ensemble cathodique de canon à électrons de soudage, conforme à l'invention, comprend une cathode discorde I (figurel), par exemple en hexaborure de lanthane (LaB6) ou en tantale , monté , 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 bas pouvoir émissif, par exemple en molybdène, et a un trou central 3 dans son fond 4. 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 le faisceau d'électrons, l'ensemble cathodique du canon à électrons de soudage est doté de deux ou troisisupports 2, dans chacun desquels le diamètre du trou central 3 ménagé dans la tubulure du support 2 est différent de celui 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 let recevant un anneau fendu 6 (figures 1 et 2) en matériau réfractaire, par exemple en tungstène ou en molybdène. L'anneau fendu 6 assure un serrage uniforme de la cathode discorde 1 contre le fond 4 (figure i) 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 (figure 1) de la pièce 8 d'amenée de courant à la cathode et, d'autre part, le plan 4 de la tubulure du support 2, contre lequel est serrée la cathode discorde 1, ainsi que l'alignement entre, d'une part, l'épaulement de portée 9 du support 2, centrant le support 2 dans la zone de portée 7 de la pièce 8 d'amenée de 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 fonctionnement de l'ensemble cathodique du canon à électrons de soudage, ce qui assure la constance de la géométrie de l'optique électronique de l'ensemble cathodique du canon à électrons de soudage, 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 inoxydAbP. Il est serré contre la portée 7 de la pièce d'amenée de courant 8 par un anneau fendu 10 en matériau réfractaire, par exemple en tungstène ou en molybdène, engagé dans un évidement conique Il 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. Pendant le fonctionnement de l'ensemble cathodique, le matériau des anneaux fendus 6 et 10 se fragilise sous l'action du chauffage , aussi, lors du remplacement de la cathode discoide 1, est-il nécessaire de remplacer les anneaux fendus 6, 10. Etant donné que les anneaux fendus 6 et 10 sont de forme très simple, leur fabrication et leur remplacement ne-posent aucune difficulté. Le montage du support 2 avec ajustement dans la pièce 8 d'amenée de courant à la cathode peut aussi être réalisé suivant la variante montrée sur la figure 3. Dans cette variante, le support 2 est serré dans la zone de portée 7 de la pièce 8 d'amenée de courant à la cathode à l'aide d'un écrou à épaulement 12 réalisé par exemple en acier inoxydable. Afin d'éviter le frittage des filetages de l'écrou à épaulement 12 et de la pièce 8 d'amenée de courant à la cathode , il convient de les frotter légèrement avec du graphite. L'ensemble cathodique conforme à l'invention fonctionne comme suit La cathode discorde 1 est chauffée par une cathode 73 de chauffage. Le faisceau d'électrons 14 émis par la cathode discorde 1 et limité par le trou central 3 ménagé dans le fond 4 de la tubulure du support 2, est mis en forme à l'aide d'une électrode 15, disposée auprès de la cathodel et d'une anode 16. 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 suit son esprit et mises en oeuvre dans le cadre delarevendication qui suit REVENDICATION 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 cathode de chauffage mzlEe dans une pièce d'amenée de courant au voisinage de la cathode discoIde , caractérisé en ce que le fond de ladite tubulure, sur lequel est placée la cathode discorde, comporte un trou central , et que dans la paroi latérale intérieure de ladite tubulure est ménagé un évidement conique allant en s'élargissant vers la cathode discoIde et dans lequel est disposé un anneau fendu en matériau réfractaire pour le serrage de la cathode discoIde contre le fond de la tubulure du support.