Для электронно-лучевой сварки в вакууме применяются типы соединений, характерные вообще для сварки плавлением и принципиально новые, присущие только данному методу. Общее требование ко всем типам соединений — это исключительно точная сборка деталей перед сваркой. Допустимые зазоры в сварных стыках составляют 0,1 толщины свариваемого металла, но не более 0,2 мм.
Необходимая точность совмещения оси потока электронов со сварным стыком определяется конфигурацией и размерами кратера в сварочной ванне при сварке внедренным пучком и диаметром фокального пятна пучка на изделии при небольших значениях удельной мощности. Обычно отклонение оси потока электронов от сварного стыка в процессе сварки не должно превышать 0,2—0,3 мм.
При электронно-лучевой сварке металлов необходимо тщательно очищать свариваемые кромки от различных загрязнений в особенности от органических веществ, при контакте жидкого металла сварочной ванны с которыми происходят микровзрывы в вакууме. При этом часть металла сварочной ванны удаляется и появляются дефекты в сварном шве.
Для данного процесса сварка встык наиболее удобна (см. рис. 32, а), так как при этом удается реализовать одно из преимуществ электронно-лучевой сварки, а именно — возможность получения весьма ограниченных по ширине сварных швов с минимальной деформацией изделия. При толщине свариваемого металла до 2—3 мм (рис. 34, а) сварка встык может быть выполнена как при чисто поверхностном воздействии пучка, так и внедренным в металл потоком электронов, т. е. с образованием кратера в сварочной ванне.
Электронно-лучевая сварка с отбортовкой кромок на телах вращения (рис. 34, б) применяется преимущественно в радиоэлектронике и приборостроении, причем широко используется сварка в импульсном режиме.
Импульсная электронно-лучевая сварка благодаря малому тепловложению применяется при наличии в непосредственной близости от места сварки спаев металла со стеклом или керамикой. Она также способствует получению определенной ориентации кристаллитов металла сварного шва, обеспечивающей вакуумную плотность сварных соединений в течение длительного времени эксплуатации электровакуумных приборов.
Сварка металлов, значительно отличающихся по толщине (например, приварка мембраны к корпусу и т.п.), выполняется с предварительной разделкой кромки металла большей толщины для выравнивания теплового поля в соединяемых деталях и достижения симметричного проплавления (рис. 34, в),
Вварка тонколистовых диафрагм в трубчатые конструкции (рис. 34, г) выполняется с предварительной отбортовкой кромок. Во избежание коробления, толщина диафрагмы должна быть не менее 0,3—0,5 мм.
Соединение внахлестку (рис. 34, д) широко применяется при сварке разнородных металлов, отличающихся по температуре плавления. Процесс сварки осуществляется без расплавлении.
Рис 34 Основные типы соединений при электронно-лучевой сварке в вакууме: а - сварка встык тонколистовых металлов на подкладке либо без нее; б -сварка с от бортовкой кромок; виг- сварка металлов отличающихся по толщине. однопроходная д. – сварка внахлестку; е - сварка в узких разделках и труднодоступных местах; ж – однопроходная сварка проникающим пучком; з - сварка толстого металла; и – через ребро жесткости.
более тугоплавкого металла. Мощность, необходимая ДЛЯ Расплавления менее тугоплавкого металла может быть подведена непосредственно потоком электронов либо через более тугоплавкий металл, как показано на рис. 34, д. Сварка в УЗКИХ разделках и труднодоступных местах (РИС 34 ж) является одним из преимуществ электронно-лучевой сварки перед известными способами сварки плалвлением и возможна благодаря малым размерам пучка и сечения, длиннофокусности и автономности по отношению к свариваемому материалу.
СВАРОЧНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПУШКИ
Основные типы
В первых пушках для электронно-лучевой сварки пучок электронов формировался только с помощью прикатодного электрода, без применения дополнительных фокусирующих систем (рис. 35,а). 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 значительные ее недостатки.
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 поверхность 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 (рис. 35, б). Эта система широко распространена в острофокусных трубках для рентгено-структурного анализа и в последнее время предложена для электроннолучевой сварки.
Рис. 35. Электронно-оптические системы сварочных пушек
а — однокаскадная система без ускоряющего электрода; б — однокаскадная
система с ускоряющим электродом (анодом); в — система с комбинированной—электростатической и электромагнитной фокусировкой; 1-катод- 2 - прикатодный электрод; 3—траектории крайних электронов пучка; 4 - свариваемое изделие; 5 - ускоряющий электрод (анод), 6-кроссовео- 7-Фокусирующая магнитная линза; 8-система отклонения пучка; 9_ фокальное пятно; а0 - половинный угол расхождения пучка после кроссовера; а1 _ половинный угол сходимости пучка на изделии сварочной ванны и ток с поверхности ванны на катод во время обратной полуволны переменного ускоряющего напряжения не течет.
Применение ускоряющего электрода с относительно малым отверстием для прохождения пучка электронов позволяет увеличить расстояние между катодом пушки и свариваемым изделием. Благодаря этому, облегчается наблюдение за процессом сварки, уменьшается опасность электрических пробоев и разрядов. С другой стороны, для питания пушки можно использовать даже невыпрямленное ускоряющее напряжение, так как электростатическое поле прожектора не проникает в область
В пушках с однокаскадной электростатической фокусировкой обычно используются ускоряющие напряжения не выше 20 кв,
В пушках с комбинированной электростатической и электромагнитной фокусировкой пучка прожектор, состоящий из катода, прикатодного электрода и ускоряющего электрода-анода, формирует сходящийся пучок электронов. Минимальное сечение пучка проектируется (обычно с уменьшением) на свариваемое изделие с помощью электромагнитной фокусирующей системы (рис. 35, в).
На рис. 36 показана схема стационарной сварочной электронной пушки. Стационарная пушка размещается на фланце вакуумной камеры» свариваемое изделие перемещается относительно неподвижного пучка электронов.
Рис. 36. Схема стационарной сварочной электронной пушки:
/ — высоковольтный изолятор; 2 —» система юстировки; 3 — сильфон-ный переход; 4 — корпус пушки; 5 — катодный узел; 6 — подогреватель катода; 7 — катод; 8 — анод; 9 — канал для водяного охлаждения анода; 10 — обмотка фокусирующей магнитной линзы;11 — корпус фокусирующей магнитной линзы; 12 — электронный пучок; 13-катушки системы отклонения электронного пучка; 14 — канал для водяного охлаждения системы отклонения и фокусировки электронного пучка; 15 ~ свариваемое изделие; 16 — система для угловой юстировки пушки и изменения расстояния анод — катод; 17— вывод к вакуумному насосу
Основные узлы пушки — прожектор, система магнитной фокусировки и система электромагнитного отклонения пучка электронов.
Катодный узел пушки, включающий собственно катод и при-катодный электрод, может наклоняться или поступательно перемещаться относительно оси отверстия в аноде, благодаря чему осуществляется совмещение электрических осей элементов пушки (юстировка пушки). Этот процесс обычно производится во время подготовки пушки к работе, при небольшой мощности электронного луча.
Катодный узел крепится на высоковольтном проходном изо- ляторе. Через бронированный высоковольтный кабель подается
питание к прожектору пушки. Изменение тока пучка осуществляется подачей отрицательного управляющего напряжения на прикатодный электрод прожектора прожектора или, реже, изменением тока накала катода. В случае импульсномодулированного 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 необходимо уменьшать увеличение
линзы М =b/a , определяемое отношением расстояния линза — изделие (b) к расстоянию кроссовер — линза (а). С этой целью 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.
При сварке металлов толщиной до 3—5 мм для корректировки пучка приемлемы стандартные телевизионные отклоняющие системы, дающие угловое отклонение пучка. При сварке металлов большей толщины угловое отклонение пучка нежелательно, так как возможен перекос шва по отношению к вертикальной плоскости стыка. Поэтому в последнем случае необходимо применять две пары отклоняющих систем, располагаемых на различной высоте. Такая система обеспечивает перемещение луча параллельно сварному стыку.
Магнитная фокусирующая и отклоняющая системы в мощных сварочных пушках размещаются в водоохлаждаемом стакане, закрепляемом в нижней части корпуса пушки. Канал для подачи воды соединяется последовательно с системой охлаждения корпуса пушки. Расход воды для охлаждения обычно не превышает
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.
и см
Рис. 38. Схема экранировки прожектора пушки и высоковольтных токоподводов для предотвращения пробоев на стенки камеры:
Перемещение пушки вдоль свариваемого изделия, ее подъем, опускание, наклон и т. д. осуществляются с помощью системы сервомеханизмов. Высоковольтное питание к пушке подводится через гибкие шины, которые необходимо экранировать заземляемым экраном с целью предотвращения пробоев на стенки камеры (рис. 38). Основные характеристики сварочных электронных пушек приведены в табл. 11.
Основные узлы
Катоды сварочных пушек. К катоду сварочной пушки предъявляются чрезвычайно жесткие требования, определяемые неблагоприятными условиями его работы.
Процесс электронно-лучевой сварки сопровождается значительным испарением металла из сварочной ванны. Металлы с низкой температурой плавления (медь, алюминий и др.), попадая на поверхность катода, образуют при определенных условиях легкоплавкие летучие эвтектики, что нарушает начальную поверхность катода. Оптимальные условия фокусировки электронного луча изменяются. Если рабочая температура катода ниже температуры плавления свариваемого металла, то эмиссия катода будет спадать.
Недостаточно высокий вакуум в процессе сварки - обычно порядка 10 мм рт. ст,, а также частая разгерметизация сварочной камеры приводят к интенсивному разрушению поверхности катода. В таких условиях работы не могут быть использованы оксидные катоды, наиболее широко применяемые в электровакуумном приборостроении.
Для сварочных пушек непригодны и другие эффективные термокатоды: оксидно-ториевые (на основе двуокиси тория ТhO2) . синтезированные (спеченная смесь никелевого порошка и углекислых бария и стронция) и особый тип эффективных катодов полученных путем усовершенствования оксидно-бариевых катодов, так называемые /.-катоды.
В большинстве сварочных пушек применяются металлические катоды, эмиссионная способность которых определяется формулой Дэшмана
гдеjэм — плотность тока эмиссии при рабочей температуре катода и таком потенциале анода по отношению к катоду, когда ток эмиссии не увеличивается при повышении этого потенциала, в а/см2; A — константа, зависящая от металла, в а • см-2град-2; к — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура эмитирующей поверхности
катода; ф — эффективная работа выхода электрона из металла в эв.
Для получения больших плотностей тока выбираются металлы с небольшой работой выхода, допускающие нагревдо высоких температур при сравнительно малой скорости испарения ^металла. Наиболее широко распространенные металлы, отвечающие этим требованиям, — вольфрам и тантал. В некоторых типах сварочных пушек применяются метало подобные лантанборидные катоды (LаВ6), обладающие лучшими эмиссионными характеристиками по сравнению с металлическими катодами (табл. 12). Но лантанборидные катоды металлизируются парами металлов с температурой плавления, равной рабочей температуре катода или выше ее, т. е. титаном, молибденом, вольфрамом и др.
Особый интерес для сварочных электронных пушек представляют отличные от термоэмиссионных — холодные и газоразрядные катоды.
Перспективна эмиссионная система с полым разрядным катодом. Внутри полого цилиндра с перфорированными стенками расположен перфорированный диск, играющий роль управляющей сетки [18] Поверхность полого катода самоочищается в процессе работы за счет бомбардировки газовыми ионами» благодаря чему на работе катода не сказывается попадание паров свариваемых металлов.
Конструктивно катоды сварочных электронных пушек выполняются прямонакальными и с косвенным подогревом.
Прямонакальные катоды более просты в изготовлении, но имеют ряд существенных недостатков. В первую очередь, в прямонакальном катоде трудно обеспечить правильную геометрическую форму эмитирующей поверхности. Кроме того, ток, разогревающий прямонакальный катод, создает значительное магнитное поле, отклоняющее эмитированные электроны от оси прожектора. В связи с этим при разогреве катода постоянным током наблюдается сдвиг оси пучка относительно геометрической оси прожектора, а при разогреве катода переменным током вследствие изменения величины и направления магнитного поля круглое сечение пучка вырождается в линию. Преимущество катодов с косвенным подогревом перед прямонакальными в том что они имеют более равномерную по поверхности плотность эмисии и являются эквипотенциальными.
Несмотря на большое количество конструкций катодов сварочных пушек, этот узел 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.
Рис. 39. Типы катодов сварочных пушек:
а— прямонакальный металлический ленточный катод; б—V-образный прямонакальный металлический катод; в — лантанборидный катод (LаBв) с косвенным подогревом; г — прямонакальный металлический катод в виде плоской спирали; д — катод с косвенным подогревом
электронной бомбардировкой.
В процессе сварки важно обеспечивать работу котода в режиме ограничения тока эмиссии пространственным зарядом. В этом случае нестабильность питающей сети, отбор тока, ионная бомбардировка и попадание на поверхность отдельных макрочастиц свариваемого металла меньше влияют на ток эмиссии.
Температура катода должна быть такой, чтобы ток эмиссии был несколько больше, чем отбираемый ток пучка. Для этого при заданном ускоряющем напряжении выбирается такой ток накала катода, дальнейшее повышение которого уже не приводит к заметному повышению тока пучка.
Различные типы катодов сварочных электронных пушек схематически показаны на рис. 39.