Электронная пушка

Электронная пушка состоит из прожектора и электромагнитных линз (рис. 24.1).

Рис. 24.1. Электронно-оптические схемы электронных пушек: а — триодная электростатическая; 6 — триодная с комбинированной фокусировкой; в — с ускоряющей трубкой

Прожектор, предназначенный для создания пучка ускоренных электронов, состоит из катода 1, прикатодного (управляющего) электрода 2 и ускоряющего электрода-анода 3. Расстояние между катодом и анодом выбирают таким, чтобы исключить пробой вакуумного промежутка между ними. Однако при напряжении выше 30—50 кВ даже при повышенных расстояниях пробои неизбежны. Поэтому в высоковольтных ЭП для ускорения заряженных частиц за прожектором устанавливают ускоряющую трубку 4 с однородным электрическим полем, распределенным вдоль ее оси. Пучок электронов, вышедший из прожектора, постепенно ускоряется внутри трубки и на выходе из нее приобретает  максимальную  скорость.

Катод электронной пушки работает в исключительно сложных условиях. Пары свариваемого металла, оседая на катоде, изменяют геометрию его поверхности и физико-химические свойства. Бомбардировка катода тяжелыми ионами способствует его интенсивной эрозии. Основное назначение катода состоит в эмиссии электронов и создании электронного облака.

Для изготовления катодов необходимо применять материалы, допускающие высокую температуру нагрева и обладающие небольшой работой выхода электрона. Кроме того, материал не должен образовывать легкоплавких соединений с металлизацион-ными пленками, образующимися на катоде в процессе сварки. В современных электронных пушках для изготовления катодов применяют вольфрам, тантал и особенно лантаноборид LaB6.

К катодам электронных пушек предъявляют следующие требования: обеспечение высокой плотности тока эмиссии с равномерным ее распределением по поверхности катода; сохранение неизменной формы катода, его размеров и расположения в пространстве; минимальное отклонение электронного облака от оси прожектора; слабое разрушение от взаимодействия с металлизанионными пленками и в результате ионной бомбардировки.

В сварочных электронных пушках широкое распространение получили прямо- и косвеннонакальные катоды. Катоды с косвенным накалом, электронной бомбардировкой в значительной мере удовлетворяют сформулированным к ним требованиям. Изменением температуры накала катода можно регулировать в определенных пределах силу тока электронного пучка. Существенным недостатком такой регулировки является недостаточно высокая воспроизводимость режима электронно-лучевой сварки.

Прикатодный электрод выполняет основную роль в формировании пучка электронов. Прикатодный электрод входит в прикатодную электронно-оптическую систему.  Электростатическое поле в прикатодной области оказывает собирательное и ускоряющее действие на электроны, эмиттированные с катода. Потенциал управляющего электрода при сварке равен или ниже потенциала катода (потенциал катода приравнивается к нулю). При подаче на управляющий электрод отрицательного относительно катода потенциала появляется возможность плавного регулирования тока электронного луча.

При периодическом запирании промежутка катод — управляющий электрод электронная пушка работает в импульсном режиме. Изменение тока электронного пучка в зависимости от напряжения между катодом и управляющим электродом называется модуляционной характеристикой электронной пушки. При регулировании тока электронного пучка подачей на управляющий электрод различной величины отрицательного потенциала так же, как и при изменении тока накала, наблюдается недостаточно высокая воспроизводимость режима электронно-лучевой сварки. Прикатодный электрод расположен в непосредственной близости от катода и имеет различное конструктивное исполнение.

Ускоряющий электрод-анод предназначен для ускорения электронного пучка, сформированного в прикатодной области. На анод подается положительный потенциал ускоряющего напряжения. Анод пушки и свариваемые изделия заземляют. Анод имеет различное конструктивное исполнение. Соответственно конструкциям прикатодного электрода аноды бывают конические, сферические и цилиндрические. В центре достаточно массивного анода имеется отверстие (2—3 мм) для прохождения электронного пучка. Отверстие в аноде строго центрировано с осью фокусирующей линзы.

В сварочных электронных пушках применяют фокусирующие 5 и отклоняющие 6 электромагнитные линзы (рис. 24.1).

Фокусирующие линзы относятся к фокусирующей системе сварочных электронных пушек. Из электронно-оптических схем, приведенных на рис. 24.1, следует, что за плоскостью кроссовера электронный пучок расходится. Угол расхождения (2α0) в основном определяется типом и конструкцией прожектора. Плотность энергии в таком пятне недостаточна для расплавления металла. Для получения концентрированного электронного пучка на свариваемом изделии применяют фокусирующие линзы. Эффективность фокусировки определяется углом сходимости электронного пучка на изделии (2α1) и диаметром его пятна в фокусе.

Отклоняющиеся линзы относятся к отклоняющим системам электронной пушки. Они предназначены для управления сварочным пучком электронов, направления его по стыку, развертки при сварке круговых соединений в горизонтальной плоскости.

Конструктивно сварочная электронная пушка состоит (рис. 24.2) из металлического корпуса 1, катодного узла 2, анодного узла 3, механизмов 4 юстировки прожектора, электромагнитных линз 7. Более сложные высоковольтные электронные пушки имеют ряд других узлов; систему 5 автономной откачки из корпуса пушки, системы 6 визуального или телевизионного наблюдения за работой прожектора, защитные свинцовые пленки от жесткого рентгеновского излучения, апертурные диафрагмы, тепловые экраны и др. Электронные пушки имеют систему водяного охлаждения. Особенно интенсивно охлаждаются анодный узел и блоки электромагнитных линз. На корпусе пушки расположены электрические вводы для питания прожектора и электромагнитных линз. Особую сложность имеют высоковольтные вводы.

Рис. 24.2. Конструктивная схема низковольтной сварочной электронной пушки

В зависимости от ускоряющего напряжения сварочные электронные пушки подразделяют на низковольтные (10—30 кВ), средне- (40—80 кВ) и высоковольтные (100—200 кВ). Наибольшее распространение в электронно-лучевых установках для сварки получили средне-вольтные электронные пушки ЭП-60, У-670 и др. Для питания электронных пушек используют несколько автономных источников (рис. 24.3): высоковольтный для подачи на прожектор пушки и изделие ускоряющего напряжения; питания накала катода; питания прикатодного электрода; питания фокусирующей линзы; питания отклоняющей системы.

Рис. 24.3. Принципиальная электрическая схема источника питания электронной пушки: РН — регулятор напряжения; ВБВ — высоковольтный блок выпрямителя ускоряющего напряжения; БН — блок накала; БУЭ — блок управляющего электрода; БФЛ, БОЛ — блоки фокусирующей и отклоняющей линз

К каждому из этих источников предъявляют специфические требования, обусловленные технологическим процессом электроннолучевой сварки.

Основное требование к высоковольтным источникам заключается в получении стабилизированных выходных параметров. Практика показала, что даже небольшое изменение ускоряющего напряжения приводит к получению различной глубины проплавления в сварочной ванне. Это связано с большим влиянием ускоряющего напряжения на положение кроссовера электронного пучка. Для получения стабильного качества сварных соединений необходимо, чтобы изменение ускоряющего напряжения находилось в пределах ±3 % номинального. В высоковольтных источниках для снижения колебаний ускоряющего напряжения применяют стабилизаторы напряжения. Процесс электронно-лучевой сварки оказывается также чувствительным к пульсации выпрямленного напряжения. В зависимости от типа пушки коэффициент пульсаций не должен превышать 0,1—5 %.

Для выпрямления тока в высоковольтных источниках использована в основном трехфазная мостовая схема.

С технологических позиций источник питания сварочной электронной пушки должен обеспечивать плавную регулировку мощности электронного пучка. Наиболее приемлемо регулирование мощности электронного пучка изменением ускоряющего напряжения. Для этих целей в источниках применяют регуляторы напряжений. Простейший из них — автотрансформатор.

Электрическая схема источника накала катода определяется способом его нагрева. Для питания прямонакальных катодов используют источники постоянного или переменного тока. Для нагрева косвеннонакальных катодов часто применяют электронную бомбардировку. Для регулировки мощности электронного пучка применяют двойную настройку: изменением ускоряющего напряжения U0 и установлением различной температуры подогрева катода Тк (рис. 24.4, а).

Рис. 24.4. Зависимость тока электронного луча от ускоряющего напряжения (а) и напряжения на прикатодном электроде (б)

Источник питания прикатодного электрода предназначен для регулировки тока электронного пучка, работы пушки в импульсном режиме, плавного снижения тока пучка при заварке кратера и др. Блок питания прикатодного электрода обычно называют модулятором. В качестве источника прикатодного электрода часто применяют полупроводниковые выпрямители с высокой стабилизацией напряжения (±1,5 %) и минимальной пульсацией (Кп = 0,3÷0,5 %). Выходное напряжение регулируется плавно от нуля до номинального значения.

Для периодического запирания пушки при импульсной работе в цепь питания прикатодного электрода включается прерыватель, например, мультивибратор. Элементы источника питания прикатодного электрода должны быть рассчитаны на полное ускоряющее напряжение электронной пушки. Зависимость тока электронного пучка от напряжения на прикатодном электроде приведена на рис. 24.4, б.

Размеры сварочной ванны и шва во многом зависят от стабильности тока в фокусирующей линзе. Даже небольшое его изменение приводит к изменению фокусного расстояния электронного пучка. Высокая стабильность тока в отклоняющей линзе необходима для перемещения электронного пучка строго по стыку. Даже небольшое изменение тока в отклоняющей линзе приводит к смещению электронного пучка, а это недопустимо при электронно-лучевой сварке.

Основные требования к источникам питания электромагнитных линз:

  • высокая стабилизация выходного напряжения с минимальной пульсацией;
  • возможность регулирования тока в линзах в широких пределах;
  • возможность применения систем слежения за плотностью тока в пятне нагрева и направлением пучка электронов по стыку.

Для питания электромагнитных линз широко используют маломощные стабилизированные выпрямители с минимальной пульсацией. Стабилизатор позволяет плавно регулировать силу тока в линзе в пределах 15—250 мА. При колебаниях напряжений в питающей сети 220 ± 10 В точность стабилизации тока составляет ±0,05 %.

Источники питания (У-250А, ИВ-60/15 и др.) обычно размещены в одном корпусе или нескольких и составляют блок питания электронной пушки. В виде отдельных элементов обычно выделяют стабилизаторы.



 
 
Добавить предприятие
 


 
 
 
 
 
 
 
Тел.: (8552) 39-71-29
промышленные предприятия Условия использования материалов сайта Политика конфиденциальности
 
Создание сайта Вебцентр