Катодный блок сварочной электронной пушки
CATHODE UNIT OF WELDING ELECTRON GUN

Изобретение относится к вакуумной электронике, а именно к оборудованию для электронно-лучевой обработки материалов, преимущественно для сварки, термической обработки и формирования изделий методом послойной наплавки (синтеза) из металлических материалов в вакууме.
Известен катодный узел электронно-лучевой пушки из вакуум-плотной керамики, описанный в патенте RU на полезную модель №132255 U1, МПК H01J 37/065, опубл. 17.04.2013 г.) и содержащий наружную металлическую обойму, высоковольтный изолятор, центральный контакт и контакты, выполненные в форме втулок. На контакты у катодного узла последовательно устанавливают подогреватель и катододержатель установленным катодом. Изменение размеров и механическая юстировка их положения является длительной операцией, доступной для выполнения только высококвалифицированному специалисту. Металлическая втулка выполнена из сплава с наиболее близким к керамике коэффициентом линейного расширения, преимущественно из ковара.
Недостатками такого решения является сложность замены катодного узла и работ по замене расходных материалов электронной пушки - катода и подогревателя.
Наиболее близкой по технической сущности является сварочная электронная пушка, описанная в книге: Кайдалов А.А., Истомин Е.И. Сварочные электронные пушки. - Киев: Научно-технический комплекс "Институт электросварки им. Е.О. Патона Национальной Академии наук Украины, 2003. - 153 с., содержащая катодный блок, включающий корпус, высоковольтный изолятор, дисковый катод из гексаборида лантана, установленный на катододержателе, и подогреватель, выполненный в виде спирали. Катодный блок установлен на промежуточном корпусе, в котором со стороны катодного блока установлен анод, на боковой поверхности катодного блока выполнен вакуумопровод. Катодный блок выполнен с крышкой, снабженной штуцерами, расположенными на боковой поверхности крышки. Корпус катодного блока соединен с промежуточным корпусом откидной петлей и зажимами. В центральное отверстие высоковольтного изолятора установлена металлическая втулка.
Недостатком такого решения является сложность работ по замене расходных материалов катодной пушки - катода и подогревателя, а установка дискового катода только одного размера приводит к ограничению пределов регулирования величины тока и диаметра электронного пучка и тем самым уменьшает возможности адаптации параметров электронной пушки.
Техническая задача изобретения направлена на повышение адаптации параметров сварочного электронного пучка.
Техническим результатом изобретения является расширение технологических возможностей за счет получения постоянных пространственных и энергетических параметров электронного пучка, упрощение работ по сборке и замене катодного узла электронной пушки и сокращение времени восстановления работоспособности сварочной электронной пушки в случае выхода из строя катода или подогревателя.
Это достигается тем, что катодный блок сварочной электронной пушки, содержащий высоковольтный изолятор, в центральное отверстие которого установлена металлическая втулка, во внутреннее отверстие металлической втулки установлен многоконтактный электрический вакуумный разъем, к которому со стороны вакуума по средством ответной части многоконтактного вакуумного разъема установлен картридж, содержащий, подогреватель катода, держатель катода и катод, фиксирующийся в отверстии указанной втулки торцевой поверхностью управляющего электрода, который закреплен к втулке накидной гайкой.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен катодный блок сварочной электронной пушки, на фиг. 2 представлена конструкция картриджа.
Катодный блок сварочной электронной пушки содержит корпус 1 с установленным в него высоковольтным изолятором 2, в центральном отверстии которого расположена металлическая втулка 3, внутри втулки 3 размещен многоконтактный электрический вакуумный разъем 4, по внутренней цилиндрической поверхности металлической втулки 3 со стороны вакуума установлен съемный картридж 5, управляющий электрод (электрод Венельта) 6 расположен по внешней цилиндрической поверхности металлической втулки 3 со стороны вакуума, накидная гайка 7 обеспечивает фиксацию картриджа 5 и управляющего электрода (электрода Венельта) 6. Многоконтактный вакуумный электрический разъем 4 содержит вакуумный электрический изолятор 8, в отверстия которого впаяны стержневые контакты 9. Картридж 5 включает в себя электрический разъем 10, ответные электрические контакты 11, держатель катода 12, дисковый катод 13 и подогреватель 14. Многоконтактный вакуумный электрический разъем 4 закреплен внутри металлической втулки 3 вакуумной пайкой. Металлическая втулка 3 закреплена в отверстие высоковольтного изолятора 2 вакуумной пайкой. Высоковольтный изолятор 2 выполнен преимущественно из корундовой или стеатитовой вакуум-плотной керамики. Внутренняя цилиндрическая поверхность металлической втулки 3 со стороны вакуума является направляющей для легкосъемной ответной части электрического разъема 4 с установленным на нем катодным узлом.
Катодный блок сварочной электронной пушки работает следующим образом.
После откачки вакуумного объема сварочной электронного блока до высокого вакуума подается ток накала в спираль подогревателя 14 и подается напряжение бомбардировки между спиралью подогревателя 14 и дисковым катодом 13. В результате этого поток электронов, возникающий от спирали подогревателя 14 направляется на верхнюю (не рабочую) поверхность дискового катода 13 и нагревает его до необходимой температуры. После этого подается высокое ускоряющее напряжение и напряжение смещения на управляющий электрод 6 (электрод Венельта), в результате чего происходит формирование сварочного электронного пучка, эмитируемого с нижней рабочей поверхности катода.
6
Сварочная электронная пушка создает мощный электронный пучок малого диаметра и направляет его на сварочный стык, в результате чего происходит локальное расплавление металла с образованием сварочного шва, соединяющего детали. Величина тока и диаметр электронного пучка в частности определяется диаметром и температурой катода. Катоды из монокристаллов гексаборида лантана (LaB) позволяют получить высокую плотность тока в пучке, но быстро отравляются и выходят из строя в загрязненном вакууме, образующимся при сварке некоторых материалов. Прямонакальные катоды из вольфрама или тантала создают пучки с худшими параметрами, однако долго работают в загрязненном вакууме, характерном для процесса электронно-лучевой сварки.
Конструкция катодного блока позволяет в процессе эксплуатации быстро заменять вышедшие из строя катодные узлы (картриджи) 5. Процесс замены картриджа включает следующие операции:
- отвернуть гайку 7 и снять управляющий электрод (электрод Венельта) 6;
- извлечь из отверстия втулки 3 картридж 5 в сборе;
- установить в отверстие втулки 3 новый картридж 5;
- установить управляющий электрод (электрод Венельта) 6 и закрепить гайкой 7.
Картриджи 5 изготовляются, собираются и юстируются преимущественно в заводских условиях и поставляются потребителю в сборе. Поэтому юстировка катодного блока после замены картриджа 5 не требуется.
Установка картриджа 5 с другой конструкцией деталей, обозначенных позициями 12, 13 и 14, позволяет в широких пределах изменять ток и диаметр электронного пучка в зоне сварки и тем самым адаптировать параметры сварочной электронной пушки к требованиям технологического процесса.
Допускается ремонт вышедших из строя картриджей 5 на предприятии, эксплуатирующем установку электронно-лучевой сварки, при наличии условий, включая наличие инструмента, приспособлений, сборочных и котировочных стендов и квалифицированного персонала.
Использование изобретения обеспечивает быструю замену катодного узла, что позволяет сократить время восстановления работоспособности сварочной электронной пушки в случае выхода из строя катода или подогревателя при сохранении постоянных пространственных и энергетических параметров электронного пучка за счет обеспечения стабильных межэлектродных промежутков, а также быстрой адаптации параметров сварочного пучка к изменившимся требованиям технологического процесса.