2794.Электронно-лучевая сварка

Из чистых металлов вольфрам обладает лучшими свойствами – эмиссионная способность и низкая скорость ионного травления. Недостаток – хрупкость при нагреве.

Тантал является пластичным и хорошо подходит для механической обработки, что легко позволяет изготавливать нагреватели сложной формы.

Частый выбор в качестве материала катода для технологических электронных пушек – LaB 6. Его рабочая температура не очень велика, что является преимуществом из-за уменьшения мощности нагрева, но конденсация на эмитирующей поверхности катода паров или распыленных молекул тугоплавких металлов (из обрабатываемого материала) резко снижает его эмиссионную способность. Исходя из этого эмиттеры из LaB6 не применяются в сварочныхмашинахдлясваркиизделий из тугоплавких сплавов.

Реальная диодная система имеет вольт-амперную характеристику, показанную на рис. 1.31, б. При напряжении Ua ≤ 0 ток все равно отличен от нуля (область начальных токов, что обусловлено Максвелловским распределением эмитированных электронов по скоростям). При больших значениях напряжения наблюдается так называемый эффект Шоттки. Эмиссии электронов из металла препятствует потенциальный барьер. Эффектом Шоттки называется снижение этого барьера по мере увеличения прилагаемого внешнего электрического поля. Этот эффект не нужно путать с автоэлектронной эмиссией, которая имеет место при электрических полях порядка 108–10 9В/м с острия: когда потенциальный барьер становится очень узким и наблюдается туннельный переход свободных электронов. При автоэлектронной эмиссии катод не нуждается в нагреве. В результате плавного перехода от области «закона 3/2» к области насыщения термоэмиссионного тока в вольт-амперной характеристике (в результате эффекта Шоттки и вследствие существующей шероховатости и неоднородности эмитирующей поверхности) реальные характеристики эмитируемого тока точно не подчиняются теоретическому уравнению (1.27) для плотности насыщенного тока.

71

С учетом эффекта Шоттки уравнение (1.27) может быть переписано как

В области ограничения тока пространственным зарядом вольт-амперная характеристика в первом приближении соответствует уравнению Чайлда – Ленгмюра, которое для плоского диода с расстоянием между электродами d и начальными скоростями эмитированных электронов V0 = 0 может быть записано как

Здесь d измеряется в сантиметрах, j (A/м2). Это уравнение относится к эмиссии моноэнергетических частиц с нулевой начальной скоростью. Пространственный заряд эмитированных электронов значительно влияет на распределение потенциала вблизи поверхности катода и может привести к образованию потенциального минимума вблизи эмиттера. Максимальный ток эмиссии, ограниченный пространственным зарядом, контролируется распределением потенциала между электродами диода. Градиент потенциала (т.е. напряженность электрического поля) вблизи поверхности эмиттера становится нулевым вместо равномерного распределения между плоскими электродами диода в вакууме в отсутствие электронной эмиссии. В случае эмиссии электронов с распределенными начальными скоростями некоторые электроны будут способны долететь до анода при нулевом или даже запирающем электрическом поле, что является главной причиной отличия реального тока эмиссии. Проблема эмиссии электронов с Максвелловским распределением по скоростям была решена Ленгмюром [25].

72

Для оценки универсальной функции распределения потенциала перед катодом можно принять безразмерные координаты. Запишем для безразмерного потенциала

где Umin – минимум потенциала. Безразмерное расстояние от катода можно записать как

где zmin – расстояние между катодом и потенциальным минимумом; β – функция плотности тока j и температуры эмиттера Tк, которая дается выражением

Функция η (ξ ) может быть табулирована (и/или доступна в виде аппроксимации) для двух областей ξ ≤ 0 и ξ ≥ 0 (расстоя-

ния до и после потенциального минимума) На рис. 1.35 представлена функция безразмерного потенциала от безразмерного расстояния η (ξ ) в соответствии с уравнениями (1.28) и (1.29).

Ток, ограниченный температурой, может рассматриваться как часть максимального тока эмиссии, рассчитанного по формуле (1.27). Если перед катодом существует запирающее электрическое поле, обусловленное разностью потенциалов Ur, в результате Максвелловского распределения скоростей эмитированных электронов плотность тока определяется как

j = jS exp (eUr kTк ).

Высота потенциального барьера равняется Uk −Ur , и, используя формулу (1.28), можно найти

73

В этом случае при принятой части плотности тока насыщения потенциал анода может быть найден. Зная множество значений j, можно рассчитать соответствующие значения Ua и построить вольт-амперную характеристику.

1.2.2. Геометрия электродов сварочной электронной пушки

Электронно-оптические системы разрабатываются со времен создания первого электронного микроскопа (E. Ruska, 1931), рентгеновских трубок и многочисленных электронных приборов, используемых в телевидении, телекоммуникации и радиолокации. Электронные пушки для сварки имеют мощность порядка 1–100 кВт и невысокие значения вакуума в дрейфовом пространстве, в котором проходит генерация пучка. Но сам луч должен быть узким и переносить энергию на большое расстояние.

Для создания интенсивного пучка катод нагревается напрямую или косвенно проходящим током, термической радиацией или электронной бомбардировкой. Существуют электронные пушки с плазменным эмиттером или с холодным катодом, работающим в режиме вторичной эмиссии, но значения плотности тока пучка для этих пушек обычно значительно ниже значений плотности, требуемых для сварки, в связи с чем эти электронные пушки в дальнейшем в книге рассматриваться не будут.

На рис. 1.36–1.39 показаны некоторые основные виды электродных конструкций электростатических частей электронных пушек, которые использовались для технологических целей.

Ускорение эмитированных катодом электронов и формирование пучка выполняются электрическим полем, созданным перед катодом. В зависимости от числа металлических электродов с различными потенциалами, создающими это поле, различают диодные и триодные электронные пушки. По существу, это относится к электростатической части электронной пушки. Дополнительно в технологических электронныхпушках для сварки имеются

75

фокусирующие и отклоняющие электромагнитные системы. Обычно желаемые свойства пучка могут быть достигнуты с помощью одной фокусирующей линзы. Иногда используются дополнительные обмотки для исправления геометрии пучка

сцелью отстранения аберрации и асимметрии пучка. Управление местом попадания пучка на обрабатываемый металл выполняется отклоняющими обмотками. Возможность отклонения пучка с высокой частотой является преимуществом электроннолучевой сварки. В технологических применениях используются пушки с большим первеансом.

Базовый подход при конструировании электронных пушек

синтенсивными пучками предложен Пирсом (Pierce), рис. 1.40. Целью является электростатическая часть пушки, обеспечивающая прямолинейные траектории электронов. Идея подхода будет понятной, если допустить, что первоначально пучок был неограниченным, созданным в планарном диоде или для сходящихся пучков в коаксиальных цилиндрических или сферических диодах.

Можно принять, что одна часть этого пучка работает как действительный электрод, а остальную часть виртуального бесконечного пучка заменить электродами с подходящими потенциалами и расположением так, чтобы не изменить баланс электростати-

Рис. 1.40. Геометрия электродов и пучка в электронной пушке Пирса

77

ческих сил и границ выбранной части пучка. Таким образом, потенциальное распределение на границах сконструированного пучка будет такое же, как для бесконечного пучка; производная от потенциала здесь будет равной нулю (что означает отсутствие расширения пучка), и распределение потенциала вне пучка будет подчиняться уравнению Лапласа. Электродная конфигурация, получаемая при такомподходе, показананарис. 1.41, 1.42.

Здесь сходящийся пучок формируется в части сферического диода, внешний электрод которого является катодом, а внутренний – анодом. Угол граничных траекторий созданного пучка – 2 θ. Луч представляет конус с пространственным углом при вершине 2θ. Эффект пространственного заряда рассматриваемой части виртуального пучка заменен электростатическим полем, созданным фокусирующими электродами и анодом, которые имеют подходящие форму и ориентацию. Профили электродов при выбранных углах θ и различных соотношениях между радиусами сферы эмитирующей поверхности – Rк и анодной

78

поверхности – Rа. Можно отметить, что угол между граничной траекторией и неэмитирующей частью катода (обычно называемой фокусирующим электродом – ФЭ) – около 67,5°. Как правило, эти трудные для технологической обработки профили заменяют аппроксимирующими сегментами конусов.

Связь тока пучка Ib с параметрами электростатической части конструируемой электронно-оптической системы (θ и Rк/Ra) и с ускоряющимнапряжениемUa даетсяуравнениемсферическогодиода

где α (Rк / Ra ) – функция, показанная на рис. 1.43. Дефокуси-

рующий эффект анодной диафрагмой оценен как для дефокусирующих линз (рис. 1.44). На следующем рис. 1.45 показана зависимость угла граничной траектории (огибающей) на выходе электростатической части пушки γ от θ. Можно заметить, что

при Rк/Ra > 1,45 на выходе пушки будет сформирован сходящийся луч с γ < θ. Этот угол, как видно из рис. 1.45, – функция и от значения первеанса p, так как p дефинируется от θ и (Rк/Ra).

79