книги / Электронно-лучевая сварка и смежные технологии

обеспечивать сканирование электронного пучка по задан­ ной траектории.

Э лектронны й прожектор является высокоточным узлом и требует тщательной сборки и эксплуатации [39]. Оптималь­ ные межэлектродные рассто­

ковольтным изолятором и ме­ таллическим корпусом электронной пушки, герметичный узел

масляной изоляции высоковольтного ввода питания электронного про­ жектора.

Система охлаждения служит для отвода теплоты, выделяющейся:

■в катодном блоке при подогреве катода;

■на аноде и лучепроводе из-за оседания части электрон­

ного потока; ■ на нижнем фланце электронной пушки из-за воздействия

излучения и паров из сварочной ванны.

В качестве охладителя обычно используют воду.

Таблица 11. Характеристики основных классов электронных пушек

сварка металлов толщиной 1 -15 мм

Таблица 12. Технические характеристики малогабаритных свароч­ ных электронных пушек, разработанных в ИЭС им. Е. О. Патона

Конструктивно катодный узел электронной пушки с системой изолирования составляют катодный блок, а анодный узел, системы фокусировки и отклонения — анодный блок. Эти блоки охлажда­ ются отдельно и являются разъемными элементами электронной пушки. При этом обеспечен доступ к катодному узлу электронной пушки для замены быстроизнашивающихся частей: катода и подо­ гревателя.

Термокатод сварочной электронной пушки работает в небла­ гоприятных условиях: пары из сварочной ванны постепенно отрав­ ляют его, а положительные ионы пара еще и ускоряются в элект­ ронном прожекторе и бомбардируют поверхность катода. Поэтому в сочетании с частой разгерметизацией сварочной камеры повер­ хность катода постепенно разрушается, падает его эмиссия и на­

Таблица 13. Характеристики некоторых термокатодов для электронных пушек

Примечание. Н — высота; D — диаметр.

Как известно, силу максимального тока электронного пучка определяет конструкция электроннооптической системы, и она до­ стигается в диодном режиме трехэлектродной сварочной пушки в области ограничения тока пространственным зарядом электронов. Насыщение тока электронного пучка достигается при мощности подогрева катода (рис. 26): 75 Вт — для поликристаллического ка ­ тода; 30 Вт — для монокристаллического катода.

Следовательно, эмиссионные свойства монокристаллических катодов лучше, чем у поликристаллических катодов, так ка к огра­ ничение силы тока пространственным зарядом электронов для м о­ нокристаллических катодов наступает при более низких темпера­ турах (рис. 27). Если ж е мощность подогрева для этих катодов равна, то температура эмиттирующей поверхности монокристал­ лического катода больше на 50-100 °С, чем для поликристалли­ ческого катода. Это объясняют более высокой теплопроводнос­ тью монокристалла.

проплавление нержавеющей стали толщиной 20 мм достигается при /„^ = 1 1 0 мА для'монокри­

сталлического катода и при 1п(р)=120 мА для поликристаллического катода. Разность 1п(р~1п(т} увеличивается с увеличением глубины проплавления.

Испытания катодов при сварке показали, что срок службы моно­ кристаллического катода больше в 2 -4 раза, чем срок службы поликристаллического катода.

Эмитгирующая поверхность монокристаллического катода пос­ ле испытаний на долговечность имеет микроструктуру с минимальной

шероховатостью и однород­ ный химический состав. На­ блюдаются единичные ямки травления квадратной формы в местах выхода дислокаций на поверхность катода, а так­ же группы ямок травления, ко­ торые расположены в линию вдоль границы субзерен. Плот­ ность дислокаций в монокри­ сталлах зависит от условий ро­ ста и м ож ет изм еняться в 100-1000 раз. Поэтому срок службы монокристаллических катодов при ионной бомбарди­ ровке во время электронно­ лучевой сварки зависит от со­ вершенства микроструктуры монокристаллов. Наилучшая микроструктура формируется в кристаллографическом направ­ лении <100>.

В поликристаллических ка ­ тодах после электронно-луче­ вой сварки имеется структурная неоднородность эмиттирующей поверхности. Увеличение шеро­ ховатости является следствием селективного разрушения гра­ ниц зерен и появлением пор вследствие ионной бомбарди­ ровки. Кроме того, возможны хлопьевидные выделения лег­ кой фазы. Очевидно, причиной таких выделений является из­ менение химического состава поликристаллического катода во время нагрева.

Нерегулярность эмиттиру­ ющей поверхности поликрис­ таллического катода ведет

к неоднородному распределению тока эмиссии. Соответственно электронный пучок имеет больший диаметр и во время сварки так­ ж е больший встречный ионный поток. Принимая во внимание пуль­ сации напряжения в электронной пушке, ясно, что имеет место нестабильная нерегулярность эмиттирующей поверхности. Это ве­ дет к однородному износу поликристаллического катода.

Монокристаллический катод имеет регулярную эмиттирующую поверхность. Встречный ионный поток фокусируется в пучок диа­ метром не более 0,3 мм. Узкое отверстие в катоде формируется

зрения на механизм термо-

электронной эмиссии лантанборидного катода. Согласно одной из них, он представляет собой пленочный эмиттер с покрытием из сво­ бодного лантана. В такой модели работа выхода зависит от степе­ ни покрытия поверхности, т. е. от концентрации избыточных ато­ мов лантана, определяемой соотношением скоростей диффузии, испарения и химического связывания их активными газами. От­ равление пленочного катода может объясняться также адсорбци­ ей электроотрицательных газов поверх лантановой пленки.

Более убедительной представляется гипотеза о твердотельном характере эмиссии гексаборида лантана, по которой величина ра ­ боты выхода непосредственно связана со структурой эн е р ­ гетических уровней этого соединения. В этом случае нарушения кристаллической решетки, вызванные химическим взаимодействи­ ем гексаборида с остаточными газами, приведут к уменьшению эмиссии.

Исследования отравления лантанборидного катода показали, что кислородсодержащие газы и азот уменьшают эмиссию, если их парциальное давление превышает некоторую критическую ве­ личину, зависящую от температуры катода. Значения отравляю­ щего давления, полученные экстраполяцией экспериментальных данных, приведены в табл. 14. Результаты разных авторов удов­ летворительно согласуются между собой, единственное расхож ­ дение относится к воздействию водорода. По экспериментальным данным водород при температуре 1200-1400 °С практически не влияет на эмиссию вплоть до давлений примерно 10"2 Торр.

Однако в работе Букингема [89] показано, что напуск водорода при давлении 10-6 Торр в систему с накаленным катодом (1235 °С) приводит к уменьшению силы тока эмиссии в 2 -3 раза. Одновре­ менно в остаточной атмосфере появляются компоненты с м ассо­ выми числами 28-70. Это объясняется образованием газообраз­ ных гидридов бора и захватом свободны х атом ов лантана возникающими в кристаллической решетке вакансиями бора.

Из данных табл. 15 видно, что в остаточной атмосфере, состоя­ щей из кислородсодержащих газов, азота и водорода при давле­ нии меньше 10"4 Торр, отравление лантанборидного катода с тем ­ пературой 1400 °С и выше невозможно. Однако в ряде случаев падение и даже полную потерю эмиссии наблюдают и при высо­ кой температуре в хорошем вакууме (1400-1500 “ С ^ - г - Ю " 6 Торр). Как правило, это имеет место в вакуумных системах с резиновыми уплотнениями. Для изучения причин этого явления были выполне­ ны специальные исследования [1].