Конструктивные особенности сварочных электронно-лучевых пушек

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.

Секция «Сварка летательньш аппаратов и родственнее технологии»

Специфические свойства вакуумного зазора как изолятора, снижение и неустойчивость изоляционных свойств вакуумного промежутка анод - катод являются основными принципиальными ограничениями, препятствующими повышению ускоряющего напряжения электроннолучевых сварочных установок.

При напряжении выше 30-50 кВ пробойная напряженность поля снижается даже в случае увеличения вакуумного промежутка и электрические пробои между анодом и катодом неизбежны. Получать электронные пучки высоких энергий целесообразно с помощью электронно-оптической системы, в основу которой положен принцип ускорения заряженных частиц в ускорительной трубке с однородным электрическим полем, распределенным вдоль ее оси. Вышедший из прожектора пучок электронов малой энергии формируется и затем постепенно ускоряется внутри трубки, достигая на ее выходе полной энергии. Работа градиентной пушки основана на этом принципе, причем ускорительную трубку в данном случае можно рассматривать как электростатическую фокусирующую систему с малой оптической силой.

Основные узлы электронно-оптической системы пушки - прожектор, система магнитной фокусировки и система электромагнитного отклонения пучка электронов.

Катодный узел крепится на высоковольтном проходном изоляторе. Через бронированный высоковольтный кабель подается питание к прожектору пушки. Изменение тока пучка осуществляется подачей отрицательного управляющего напряжения на прикатодный электрод прожектора или, реже, изменением тока накала катода. В случае импульсно-модулированного режима электронно-лучевой сварки на прикатодный электрод пушки подаются отрицательные прямоугольные импульсы модулирующего напряжения. В некоторых пушках под вакуумом можно изменять расстояние между элементами прожектора, благодаря чему удается изменять параметры формируемых пучков (угол сходимости, максимальный ток и т. д.).

Разрежение катодного пространства пушки производится через каналы в анодном блоке или с помощью специальной вакуумной системы (в случае малого канала в фокусирующих системах).

Фокусировка пучка обычно осуществляется одной или двумя магнитными линзами. В пушках с одной линзой для уменьшения диаметра пучка на изделии линза располагается далеко от анода и близко к изделию. При этом увеличивается угол сходимости пучка на выходе из линзы.

В пушках с двухлинзовой фокусировкой первая линза располагается близко к аноду, благодаря чему уменьшается сечение пучка во второй линзе, ее сферическая аберрация, а следовательно, меньше сечение пучка и угол сходимости пучка на изделии.

Корректировка положения пучка относительно кромок свариваемого металла осуществляется с помощью магнитных отклоняющих систем.

Магнитная фокусирующая и отклоняющая системы в мощных сварочных пушках размещаются в во-доохлаждаемом стакане, закрепляемом, в нижней части корпуса пушки. Канал для подачи воды соединяется последовательно с системой охлаждения корпуса пушки.

Наряду со стационарными пушками получили применение подвижные пушки, перемещаемые внутри вакуумной камеры относительно неподвижного свариваемого изделия. Применение перемещаемых в вакууме сварочных пушек позволяет в ряде случаев уменьшить габариты вакуумной камеры и упростить механизмы внутри камеры, выполнять швы в любом пространственном положении, сваривать неповоротные стыки и т. д.

Хотя развитие электронно-лучевой сварки приняло широкий размах, использование той или иной сварочной пушки с соответствующими параметрами электронного луча зачастую обусловливается не исходными теоретическими данными или опытными результатами, а наличием на данном производстве определенной конструкции пушки. Высокая стоимость оборудования, фирменные интересы часто заставляют использовать готовую разработку, иногда слишком сложную или недостаточно хорошую.

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 621.22-185

И. С. Сорвачев, К. А. Брот Научный руководитель - Ю. И. Коновалов Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Рассмотрены наиболее используемые технологии сварки для магистральных трубопроводов.

Для изготовления магистральных трубопроводов наибольшее распространение получили дуговые методы сварки. Более 60 % всех стыков на магистралях свариваются автоматической дуговой сваркой под

флюсом. Дуговая сварка под флюсом используется только в тех случаях, когда существует возможность вращения стыка. Сварку трубопроводов под флюсом в основном автоматизированным способом применя-