книги / Электронно-лучевая сварка и смежные технологии

го магнитного поля электронного пучка с полностью нейтрализо­ ванным пространственным зарядом. Форму электронного пучка в этих областях описывают следующими уравнениями:

Область II

Область I

, (140)

(141)

(142)

[U к]=В; г , а к — радиус и угол сходимости электронного пучка в кроссовере соответственно; г — текущий радиус электронного

b=const имеют максимум при 1п=0,45 А. Уменьшение b и 1м при 1п>1п объясняется преобладанием пинч-эффекта, а при 1п<1* — пре­ валирующим смещением кроссовера в сторону катода. Подобная

зависимость была получена экспериментально.

Для поддержания стабильного процесса сварки при регулиро­ вании тока электронного пучка необходимо обеспечивать a =const и пропорциональное глубине проплавления изменение b и rmin, либо b=const и rmin=const при небольших изменениях глубины проплав­ ления (до ±10 мм). Однако из расчетов следует, что при постоян­ ном уровне фокусировки электронного пучка (b=const), часто тре­ буемом при сварке, зависимости а п(1п) и rmin(I ) мало отличаются от аналогичных зависимостей при IM=const, т. е. на ап и ^ д о в о л ь ­ но сильно влияет сила тока электронного пучка. Таким образом, для обеспечения a j(Ifl)=const и, если необходимо rm/n(In)=const, нужно

использовать дополнительные приемы формирования заданной

конфигурации электронного пучка, например, периодическое от­ клонение электронного пучка с амплитудой и частотой, зависящи­ ми от его силы тока.

Контроль диаметра электронного пучка. Для измерения диа­ метра сварочных электронных пучков и распределения плотности мощности по их поперечному сечению используют хорошо извес­ тные датчики: прямой край пластины, вращающийся зонд из тон­ кой проволоки и узкую щель между двумя пластинами. Элементы датчиков, непосредственно подвергающиеся воздействию элек­ тронного пучка, изготавливают из тугоплавких металлов (обычно из вольфрама). Методы обработки сигналов датчиков непрерывно совершенствуют. В последние годы развит метод полного и быст­ рого (<5-30 мин в зависимости от требуемого пространственного разрешения и типа компьютера) анализа профиля электронного пучка с помощью компьютерной томографии [86,97,102,111 и др.). Для этого применяют высокоточный щелевой датчик либо датчик с прямым краем пластины с расположенным под ним защитным электродом (-50 В) и цилиндром Фарадея с резистором нагрузки 100 Ом. Ш ирину щели обычно выбирают в диапазоне 10-100 мкм (должна быть <0,2 г .) . Датчик помещают в массивный медный блок для обеспечения хорошего теплоотвода и соответствующего предотвращения изменения ширины щели или положения прямо­ го края из-за теплового расширения. Датчик вращается вокруг своей оси, а электронный пучок все время быстро (500-1200 м/с) сканирует поперек щели. Сигналы датчика регистрируются на за­ поминающ ем осциллографе, а затем на компьютере выполняется Фурье-анализ этих сигналов и их томографическая реконструкция (рис. 47). Такой метод анализа электронных пучков является пре­ красным аналитическим инструментом для разработчиков элек­ тронных пушек. Кроме того, этот метод позволяет переносить па­ раметры режима сварки с одной установки на другую. Точность контроля распределения плотности мощности электронного пучка при томографии обычно не хуже 1-3% .

Плотность тока электронного пучка, измеряемая щелевым дат­ чиком и датчиком прямого края, вычисляют соответственно по следующим формулам:341

(143)

до соприкосновения и достижения величины проходящего через эту пластину тока, равного половине тока электронного пучка. При этом измеряют полный угол отклонения электронного пучка, а за­ тем вычисляют расстояние D по соотношениям

где а п — расстояние между прямыми краями пластин; a — пол­ ный угол отклонения электронного пучка.

Контроль максимальной силы тока электронной пушки. Исполь­ зуя метод импульсного отпирания электронной пушки, можно конт­ ролировать эмиссионную способность катода электронной пушки [8]. Для этого периодически измеряют приращение силы тока Д1 пуш­ ки вблизи максимального значения 1тах за определенный проме­ жуток времени At (рис. 48). При появлении износа катода величи­ на AI уменьшается.

Контроль времени работы катодного узла электронной пушки.

Быстроизнашивающимися элементами электронной пушки явля­ ются детали катодного узла: катод и подогреватель. При промыш­ ленной эксплуатации сварочной пушки важно точно определить выработку ресурса катодного узла.

Срок службы катода электронной пушки характеризует степень его разрушения от электронной бомбардировки со стороны подо­ гревателя и ионной бомбардировки со стороны анода, когда су­ щественно изменяются заданные эмиссионная способность и ка­ чество пространственно-энер­ гетических параметров элект- р о н н о го пучка . Степень нагрева и скорость разруше­ ния катода прямо пропорцио­ нальны силе тока его бомбар­ дировки (напряжение бомбар­ д ировки постоянно) и силе тока электронного пучка (уско­ ряющее напряжение постоян­ но). Паспортный срок службы катода и подогревателя обыч­ но определен для оптималь­ ного значения силы тока бом­ бардировки, обеспечивающего

ограничение эмиссии пространственным зарядом, и максималь­ ного (паспортного) значения силы тока электронного пучка. По­ скольку режим бомбардировки регулируют в процессе подготов­ ки к сварке, а сила тока электронного пучка в период работы элек­ тронной пушки непостоянна по условиям технологического процес­ са, то реальный срок службы катода отличается от паспортного.

Для контроля реальной выработки срока службы катода и по­ догревателя необходимо определять приведенное время их ра­ боты [9], т. е. время, за которое происходит такая ж е потеря харак­ теристик при оптимальной силе тока бомбардировки и максималь­ ной силе тока электронного пучка. Для этого в течение каждого периода A t работы электронной пушки нужно измерять и фикси­ ровать в функции времени силу тока электронного пучка, силу тока бомбардировки катода и силу тока накала подогревателя, а затем приведенное время вычислять по следующим соотношениям:

Общее время работы катода и подогревателя электронной пуш­ ки определяют формулы:

Здесь приняты следующие обозначения: 160,16 — соответствен­ но оптимальное и текущее значения силы тока бомбардировки ка ­ тода; 1н0,1н — соотвественно оптимальное и текущ ее значения силы тока накала подогревателя; kr ..k5— весовые коэффициенты, зависящие от конструкции катодного узла электронной пушки.

Для катодов с косвенным подогревом при нагреве электронной бомбардировкой kg=1; kg=0; k5=1, если бомбардировка и накал вклю­ чаются и выключаются одновременно и к2=1; 1 >к3>0; к5=1, если бом­ бардировка и накал включаются и выключаются неодновременно.

При нагреве катода излучением подогревателя 1^=0; k4=0; кд=1; к5=1. Для прямонакальных катодов k4=0; kg=0; к2=0; к3=1.

Коэффициент к 1 определяет степень разрушения катода со сто­ роны анода (т. е. степень ухудшения его эмиссионной способнос­ ти) и зависит от материала катода, степени разрежения в ускоря­ ющем промежутке, диаметра отверстия в аноде, наличия ловуш­ ки пара и газов из сварочной ванны, а в случае ее отсутствия и от свариваемого материала.

Для сварочной пушки энергоблока ЭЛА-15 или ЭЛА-60/60 (бом­ бардировка и накал включаются одновременно), имеющей лантанборидный катод, дифференциальную откачку, но не имеющей ловушки парогазового потока, общее время работы катода

(150)

а время работы подогревателя катода:

Для энергоблока ЭЛА-60/60 весовые коэффициенты в соотно­ шениях (150) и (151) определены экспериментально: ^=3,09; к4=0,84.

Электромеханический комплекс

Электромеханический комплекс сварочной установки предназна­ чен для выполнения всех сварочных, установочных и транспортных перемещений свариваемых изделий и электронной пушки. В состав комплекса входят манипуляторы свариваемого изделия, манипуля­ тор электронной пушки, устройство транспортировки свариваемого изделия и соответствующие системы электропитания и управления.

В качестве манипуляторов свариваемого изделия применяют, как правило, несложные сменные манипуляторы:

■двухкоординатные столы в горизонтальной или вертикаль­ ной плоскостях;

■вращатели с горизонтальной, вертикальной, наклонной или изменяемой осями вращения;

■вращатели барабанного типа.

На базе электронных пушек, перемещаемых в вакуумной ка­ мере, создают обычно сварочные блоки, включающие (кроме пуш­ ки) устройства для ориентации ее относительно свариваемого сты­ ка, механизм подачи присадочного материала, устройство наблю­ дения и освещения и иногда вакуумный насос для дифференци­ альной откачки из области электронного прожектора сварочной пушки. Манипулятор электронной пушки или сварочного блока

±0,01-0,05 мм), иметь датчики перемещений и концевые выклю ­ чатели. Исходя из условий работы в вакууме, необходимо исполь­ зовать бесконтактное электрооборудование: асинхронные, синх­ ронные и шаговые электродвигатели; бесконтактные сельсины, фо­ тодатчики, тахогенераторы; индукционные или емкостные конце­ вые выключатели.

В случае применения в вакуумной камере двигателей постоян­ ного тока (со скользящими контактами) их нужно помещать в гер­ метичные кожухи, внутри которых должен находиться воздух при нормальном атмосферном давлении.

Во многих случаях многокоординатные манипуляторы удобно создавать на базе модулей линейного и углового перемещений.

Системы электропитания и управления манипуляторов долж ­ ны обеспечивать три режима работы: позиционирование, свароч­ ный, маршевый. Для этого необходимо иметь широкий диапазон плавной регулировки скорости линейного перемещения и вращ е­ ния (до 1:10000).

Вакуумный комплекс

Вакуумный комплекс служит для герметизации и вакуумирова­ ния рабочего объема.

Вакуумные камеры имеют обычно прямоугольную (параллеле­ пипеды и кубы) или цилиндрическую форму. Их изготавливают из конструкционных или нержавеющих сталей, титановых сплавов или полимербетона. Конструкция камер должна обеспечивать:

■наблюдение за рабочей зоной через иллюминаторы;

■необходимую прочность и жесткость относительно атмос­ ферного давления и навесного оборудования;

■герметичный ввод электронной пушки, электрических сое­ динений, механических валов и датчиков вакуума;

■люки, крышки или двери для загрузки и выгрузки изделий и обслуживания внутрикамерного оборудования;

■защиту персонала от рентгеновского излучения.

Откачные системы включают в себя вакуумные насосы, затво­ ры, клапаны, вакуумпроводы, вентили, датчики. В табл. 21 приве­ дены наиболее распространенные схемы откачных систем [77]. Схему I используют при сварке в высоком вакууме в относитель­ но небольших камерах. Она состоит из насоса предварительного разрежения 1 и диффузионного насоса 6, снабженного вакуумным затвором 7 и угловым патрубком 8. Для измерения давления на выходе насосов и напуска в них воздуха предназначены датчики 3 и вентили 2. На выхлопном патрубке диффузионного насоса уста­ новлен предохранительный клапан 5 с электромагнитным приво­ дом, который защищает систему от аварийного прорыва атмос­ ферного воздуха со стороны насоса предварительного разреже­ ния при его аварийном отключении. Предварительную откачку воздуха из камеры выполняют через вакуумпровод, который соеди­ нен с угловым патрубком и имеет диаметр, равный или даже боль­ ший, чем впускное отверстие насоса предварительного разреже­ ния. На вакуумпроводе углового патрубка устанавливают затвор 4. Параллельно основному вакуумпроводу в обход затвора 4 мон­ тируют «байпасную» линию откачки малого диаметра, которая так­ ж е снабжается вакуумным затвором (или клапаном) 4. Эта линия необходима в начальный момент откачки для ограничения потока газа из камеры в насос предварительного разрежения. При этом затвор основного вакуумпровода закрыт. После снижения давле­ ния в камере до 6,65-10_1- 1 ,33*10-2 Па открывается затвор основ­ ного вакуумпровода. При давлении в системе примерно 9,31 -10-3 Па и разогретом диффузионном насосе можно открывать клапан 5, зак­ рывать затвор 4 основного вакуумпровода предварительного раз­ режения и открыть затвор 7, отделяющий диффузионный насос от углового патрубка. В таком положении происходит откачка системы