ШТЫРЕВОЙ КАТОД СВАРОЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ПУШКИ
PLUG-IN CATHODE OF WELDING ELECTRON BEAM GUN

Изобретение предназначено для использования в электронных сварочных пушках и других электронно-лучевых приборах.
Известен штыревой катод с электронным подогревом (Чвертко А.И. и др. Оборудование для электроннолучевой сварки. Киев: Наукова думка, 1973, стр.94-97).
Известен также катодный узел электронной пушки (АС №186035; МПК H01J 01/20; опубл. в бюл. №18 от 12.09.1966 г.), в состав которого входит катод, выполненный в виде стержня с конической шляпкой. Эмиссия электронов осуществляется с торцевой поверхности шляпки, а коническая поверхность шляпки и примыкающая к ней часть стержня служат для разогрева шляпки катода путем ее бомбардировки электронами со вспомогательного прямонакального катода (источника электронов для нагрева катода-нагревателя). Для крепления к элементам катодного узла стержень катода имеет массивную цилиндрическую часть, изготовленную из того же материала (тантала), что и рабочая часть катода (коническая шляпка). Средняя часть стержня изготовлена длинной и тонкой для уменьшения теплоотвода от рабочей части катода (конической шляпки).
Недостатками известных катодов являются:
- большой теплоотвод от рабочей части катода, что приводит к излишнему перегреву катодного узла и излишним затратам мощности, расходуемой на этот перегрев;
- небольшой срок службы катода из-за ускоренного испарения конической шляпки и примыкающей к ней части стержня при электронной бомбардировке большой мощностью;
- большой расход дорогостоящего тантала.
Задачей изобретения является уменьшение тепловых потерь и расходуемой на разогрев катода мощности, увеличение срока службы катода за счет более медленного испарения рабочей части катода (конической шляпки и примыкающей к ней части стержня) при электронной бомбардировке ее меньшей мощностью, а также уменьшение в несколько раз массы тантала, расходуемой на изготовление катода.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, следующий:
- уменьшение нагрева катодного узла (уменьшение тепловых потерь);
- уменьшение расхода мощности;
- увеличение срока службы катода;
- уменьшение расхода тантала при изготовлении катода.
Технический результат достигается тем, что в данном штыревом катоде сварочной электронной пушки, представляющем собой стержень с конической шляпкой, стержень выполнен составным из материалов с разными коэффициентами теплопроводности, при этом коэффициент теплопроводности части стержня, являющейся рабочей, превышает коэффициент теплопроводности части стержня, служащей для крепления катода к элементам катодного узла. Часть стержня, служащая для крепления катода к элементам катодного узла, выполнена в виде трубки. Рабочая часть катода выполнена из тантала. Коэффициент теплопроводности материала части стержня, служащей для крепления катода к элементам катодного узла, в 3-4 раза меньше коэффициента теплопроводности тантала. Рабочая часть катода присоединена к части стержня, служащей для крепления катода к элементам катодного узла, через переходную трубку, выполненную из материала, температура плавления которого, по крайней мере, на 400°С выше рабочей температуры катода. Между частью стержня, служащей для крепления катода к элементам катодного узла, и переходной трубкой введена промежуточная деталь в виде кольца или короткого стержня из материала, температура плавления которого выше рабочей температуры катода.
В предлагаемом изобретении из тантала изготавливают только рабочую часть катода, а именно коническую шляпку и небольшую часть стержня. Крепят рабочую часть катода к элементам катодного узла через трубку (часть стержня), изготовленную из электропроводящего механически прочного термостойкого материала, имеющего как можно более низкий коэффициент теплопроводности. Всем этим требованиям, кроме одного, удовлетворяют, например, такие материалы, как гафний, цирконий, титан и многие другие. Однако все они имеют температуру плавления ниже 2500°С - температуру, до которой нагревается рабочая часть катода. Поэтому присоединять трубку из выбранного материала, например циркония, непосредственно к рабочей части катода невозможно, так как в месте соединения она расплавится. Для выхода из этого положения к рабочей части катода присоединяется переходная трубка из материала, температура плавления которого с запасом превышает 2500°С, например из тантала, а к ней присоединяется трубка из выбранного материала, например из циркония.
Для удобства соединения трубок друг с другом с помощью, например, точечной контактной сварки, а также с целью многократного использования части катода, которая в процессе работы не изнашивается (остается неизменной), между трубками вводят промежуточную деталь в виде кольца или короткого стержня из термостойкого материала, например тантала.
На фиг.1 изображены катоды, где 1 - рабочая часть катода; 2 - переходная трубка из материала, температура плавления которого выше 2500°С; 3 - трубка из материала с низким коэффициентом теплопроводности (в 3-4 раза меньше коэффициента теплопроводности тантала), являющаяся частью стержня, служащей для крепления катода к элементам катодного узла; 4 - переходное кольцо.
После уменьшения конической шляпки в процессе работы до недопустимых размеров вследствие неблагоприятных условий работы при сварке, а также вследствие электронной бомбардировки при разогреве катод вынимают из катодного узла, отделяют сносившуюся часть катода 1 путем разрушения трубки 2, удаляют остатки трубки 2 с поверхности переходной детали 4 и присоединяют новую часть катода 1 через новую трубку 2 к старой детали 4 с помощью, например, точечной контактной сварки. Таким образом, части катода 3 и 4 могут использоваться многократно.
Для решения поставленной задачи центральную часть стержня выполняют в виде трубки. Трубку изготавливают из термостойкого материала, имеющего небольшую теплопроводность (в 3-4 раза меньше теплопроводности тантала), что обеспечивает исключение перегрева катодного узла и делает его более долговечным. Данный вариант катодного узла позволяет уменьшить количество используемого материала (тантала), который является достаточно дорогостоящим.
Пример конкретного исполнения.
Для испытаний был использован катод по варианту исполнения с переходной деталью 4. Часть катода 1 была изготовлена из тантала, диаметр шляпки - 3 мм, диаметр стержня - 1,5 мм, высота - 4 мм. Трубка 2 высотой 5 мм была изготовлена из танталовой фольги толщиной 0,05 мм. Переходная деталь 4 была изготовлена из тантала в виде стержня диаметром 1,5 мм и высотой 3 мм. Трубка 3 высотой 14 мм была изготовлена из титановой фольги толщиной 0,05 мм. Все детали были соединены в соответствии с фиг.1 с помощью точечной контактной сварки.
Испытания производили на действующей электронно-лучевой установке. Определялась зависимость тока эмиссии от мощности электронной бомбардировки изготовленного катода и катода-прототипа, при этом катоды работали в совершенно идентичных условиях.
Данные измерений сведены в таблицу 1.
Из экспериментальных данных следует, что расход мощности при использовании предлагаемого катода по сравнению с известным уменьшился.
Таблица 1
I<sub>э</sub> (mA) (ток эмиссии катодов)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Р<sub>б.1</sub> (Вт) (мощность бомбардировки катода-прототипа)
36,8
39,5
41,8
43,2
44,6
45,6
46,6
47,1
48
49,2
Р<sub>б.2</sub> (Вт) (мощность бомбардировки изготовленного катода)
31,2
32,6
34,5
37,2
37,6
39,4
40,8
41,3
41,9
42,4
Для определения экономии тантала были взвешены известный катод, изготовленный из тантала и частей предлагаемого катода, изготовленных из тантала. Масса известного катода, изготовленного из тантала, - 2,457 г. Масса частей, изготовленных из тантала предлагаемого катода, - 0,231 г. Экономия тантала более чем в 10 раз.