CC BY
143
Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки
УДК 621.791.722
Е. В. Шадт, К. Д. Кинцель Научный руководитель - Н. В. Успенский Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
МОДЕРНИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПУШКИ КЭП-2М-01
Пушка КЭП-2М-01 предназначена для сварки тугоплавких активных, цветных металлов и сталей.
Новая модернизированная электронно-лучевая сварочная пушка КЭП-2М-01 является универсальным электровакуумным прибором и предназначена для создания мощного электронного пучка, который может быть использован для сварки, термообработки и других видов работ в рамках электроннолучевой технологии, с использованием монокристаллического термокатода из ЬаВ6 с электронной бомбардировкой.
Конструктивные особенности пушки позволяют размещать её как снаружи, так и внутри вакуумной камеры в любом пространственном положении.
Пушка электронно-лучевая типа КЭП-2М-01 может использоваться в комплекте с высоковольтными источниками питания У-250А, У-670 и любыми другими источниками, обеспечивающими подачу на электроды пушки напряжений.
Технические данные
1. Тип пушки - трёхэлектродная с комбинированной (электростатической и электромагнитной) фокусировкой и электромагнитным отклонением электронного пучка;
2. Ускоряющее напряжение, кВ до 30 (до 60);
3. Максимальная мощность пучка, кВт до 15 (до 60);
4. Катод - прямонакальный, ток накала, А 12/14;
5. Управляющее напряжение, кВ до 5;
6. Фокусировка, электромагнитная - однолинзо-вая. Сопротивление катушки, кОм 1,5;
7. Ток фокусирующей линзы, мА 20 - 100;
8. Угол отклонения пучка по осям X и У, град 15;
9. Расход охлаждающей воды, л/мин 3;
10. Габаритные размеры пушки, мм 0250x408;
11. Масса (без кабеля), кГ.
Состав пушки. Пушка электронно-лучевая КЭП-2М-01 состоим из катодного блока, анодного блока и блока токоподвода.
Устройство и работа пушки. В основе электронно-лучевой технологии лежит использование энергии, освобождаемой при торможении потока ускоренных электронов на поверхности подвергаемого обработке материала. Электронно-лучевая пушка является источником потока ускоренных электронов и состоит из прожектора и фокусирующе-отклоняющей системы, предназначенной для формирования электронов [1].
Катодный блок состоит из корпуса и электронного прожектора. В корпусе имеются вводы для подачи воды при применении водяного охлаждения.
Электронный прожектор состоит из 2-х дисков и держателя анода, закреплённых на 3-х керамических стержнях и имеющих посадочные места под нагреватель катода, керн, управляющий электрод и анод.
Катод из поликристаллического гексаборида лантана ЬаВ6 устанавливается в керне. Над катодом устанавливается штабик из карбида кремния и поджимаемся графитовым токоподводом, закреплённым в нагревателе. Нагреватель катода, керн и управляющий
электрод закрепляются на своих посадочных местах с помощью разрезанных вольфрамовых колец. Анод закрепляется с помощью резьбовой втулки.
Анодный блок состоит из корпуса и кожуха, внутри которого размещены фокусирующие и отклоняющие катушки. В нижней части кожуха установлен охлаждающий экран и теплозащитный экран-отражатель. Питание фокусирующих и отклоняющих катушек осуществляется через малогабаритный разъём.
Откачка из области катодного узла осуществляется через отверстия в корпусе анодного блока.
Анодный блок стыкуется с катодным блоком механически.
Блок токоподвода состоит из корпуса, крышки, и токовводов, закрепляемых на изоляторе.
Пространство между изолятором и диафрагмой заполнено жидким диэлектриком -касторовым маслом ГОСТ 6990-75.
Прямонакальные катоды более просты в изготовлении, но имеют ряд существенных недостатков. В прямонакальном катоде трудно обеспечить правильную геометрическую форму эмитирующей поверхности. Ток, разогревающий прямонакальный катод, создает значительное магнитное поле, отклоняющее эмитированные электроны от оси эмиссионной системы. При разогреве катода переменным током пучок «раздваивается», а при разогреве постоянным током наблюдается сдвиг оси пучка относительно геометрической оси эмиссионной системы. Для компенсации этого сдвига необходимо введение специальных корректирующих механических или электрических устройств либо применение прямонакальных «бифиляр-ных» катодов. Катоды с косвенным подогревом имеют более равномерную по поверхности плотность эмиссии и являются эквипотенциальными [1].
Долговечность катода сварочной пушки, работающего в чрезвычайно тяжелых условиях (многократное воздействие атмосферы, паров масел, газовыделений из сварочной ванны и металлических паров), определяется, во-первых, возможностью формирования пучка с максимальным током, на 15-20 % превышающим рабочий ток, и, во-вторых, сохранением с точностью до ±1 % исходного положения плоскости фокусировки пучка и аксиальной симметрии пучка: фокусное пятно на изделии не должно смещаться более чем на 0,1 мм от оси симметрии при изменении во всем диапазоне рабочих значений тока пучка и тока фокусирующей линзы [2].
Секция «Сварка летательньш аппаратов и родственнее технологии»
Направленный парогазовый поток, распространяющийся из зоны сварки, может достичь поверхности катода. Металлы с низкой температурой плавления - медь, алюминий и другие, попадая на поверхность катода, образуют при, определенных условиях легкоплавкие летучие эвтектики. Испарение последних приводит, во-первых, к охлаждению катода, а во-вторых, к возникновению на катоде углублений, нарушающих исходную геометрию эмитирующей поверхности, вследствие чего изменяются оптимальные условия фокусировки электронного пучка. При сварке металлов, температура плавления которых выше рабочей температуры катода, происходит запыление эмитирующей поверхности катода парами этих металлов, в результате чего ток пучка будет снижаться во времени. Недостаточно высокий вакуум в полости пушки в процессе сварки ведет к интенсивному разрушению поверхности катода ионной бомбардировкой.
В числе главных достоинств лантанборидного (ЬаВ6) катода наряду со стойкостью против отравления и ионной бомбардировки следует отметить также сохранение эмиссионных свойств при длительном пребывании в активированном состоянии на воздухе. Лантанборидный катод отличается также незначительными затратами мощности на разогрев, что способствует меньшим температурным деформациям катодного узла.
Недостатком лантанборидного катода является подверженность его влиянию паров свариваемых материалов. Время, в течение которого происходит существенное изменение поверхности катода и потеря его эмиссионных свойств до такой степени, что требуется его замена, зависит от содержания легколетучих и тугоплавких элементов в свариваемом материале и мощности парового потока. При рабочей температуре 2200-2300 К, несмотря на металлизацию тугоплавкими элементами эмитирующей поверхности катода, последний не изменяет своих эмиссионных свойств. Это объясняется тем, что при этих температурах подвижность атомов лантана велика и они проникают через напыленный слой на поверхность катода, восстанавливая его высокие эмиссионные свойства.
Исследование влияния различных факторов на стабильность лантанборидных катодов показало, что эксплуатационные характеристики этих катодов существенно зависят от структуры их материала и степени его чистоты. Гексаборид лантана характеризуется весьма сильной межатомной связью, определяющейся пространственным каркасом из атомов бора.
Поэтому растворимость элементов, за исключением образующих изоморфные гексабориды, весьма невелика. Это приводит к выделению по границам зерен примесей, попадающих в материалы в процессе изготовления катодов, и способствует разрушению последних. Наилучшие результаты могут быть получены при использовании монокристаллических материалов или близких к ним по структуре крупнокристаллических материалов, получаемых индукционной плавкой с одновременной зонной очисткой [2].
Учитывая, что эксплуатация ЭЛП КЭП-2М-01 возможно только с катодами из поликристаллического ЬаВ6 производство, которого практически прекращено, а поставляемые катоды поликристаллического ЬаВ6 очень низкого качества с неоднородной структурой с пониженными эмиссионными свойствами и малым ресурсом эксплуатации, возникла острая необходимость модернизации с переводом ЭЛП КЭП-2М-01 на монокристаллические катоды ЬаВ6 с косвенным подогревом с помощью электронной бомбардировки.
Новая конструкция ЭЛП КЭП-2М-01 позволила полностью исключить человеческий фактор при переборке катодного узла (ошибки при сборке) повысить надежность и стабильность работы.
Новый электронный прожектор состоит из 3-х дисков и держателя анода, закреплённых на 3-х керамических стержнях и имеющих посадочные места под нагреватель катода, керн, управляющий электрод и анод.
Катод из монокристалла гексаборида лантана устанавливается в керне. Над катодом устанавливается нагревательный элемент и поджимается графитовым токоподводом, закреплённым в нагревателе.
Опыт производственной эксплуатации новых модернизированных ЭЛП КЭП-2М-01 с монокристаллическим термокатодом вместо поликристаллического, позволил получить более качественный электронный луч, вследствие хорошей однородности распределения энергии в электронном пучке, повысить ресурс работы примерно в 10 раз, стабильность и воспроизводимых параметров.
Библиографический список
1. Электронно-лучевая сварка / под ред. академика Б. Е. Патона. Киев : Наук. Думка, 1987.
2. Технологические основы сварки и пайки в авиастроении / В. А. Фролов, В. В. Пешков. М. : Интер-мет Инжиниринг 2002.
© Шадт Е. В., Кинцель К. Д., 2012
