УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ Российский патент 2002 года по МПК B23K15/00 H01J37/14 

Изобретение относится к сварочной технике, предназначено для сварки плавлением и может быть использовано для сварки тугоплавких и жаропрочных материалов.

Известно устройство для электронно-лучевой сварки, содержащее катод и ускоряющий анод с отверстием, магнитную линзу, магнитную отклоняющую систему, высоковольтный источник постоянного тока. Выходящие из катода электроны фокусируются в пучок с помощью электрического поля между катодом и ускоряющим анодом. На пути от катода к ускоряющему аноду электроны приобретают достаточную для сварки изделия энергию. На пути от ускоряющего анода до свариваемого изделия пучок электронов фокусируется магнитным полем в магнитной линзе устройства для электронно-лучевой сварки. Перемещение луча по свариваемому изделию осуществляется с помощью магнитной отклоняющей системы. Кинетическая энергия электронов вследствие торможения в материале свариваемого изделия превращается в теплоту, нагревая материал до высоких температур. Электрическое питание устройства для электронно-лучевой сварки осуществляется от высоковольтного источника постоянного тока [О.К Назаренко, А.А. Кайдалов, С.Н. Ковбасенко и др. Электронно-лучевая сварка / Под редакцией Б. Е. Патона. - Киев: Наукова думка, 1987].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к заявляемому изобретению является устройство для электронно-лучевой сварки, в котором электроны предварительно приобретают высокую энергию. Устройство содержит катод, размещенный внутри прикатодного электрода, и ускоряющий анод с отверстием. Устройство также содержит высоковольтный источник постоянного тока, магнитную линзу, размещающуюся между ускоряющим анодом и изделием, и магнитную отклоняющую систему. Магнитная линза и магнитная отклоняющая система выполнены в виде многовитковых катушек из изолированного провода. Выходящие из катода электроны фокусируются с помощью электрического поля между прикатодным электродом и ускоряющим анодом в пучок с диаметром, равным диаметру отверстия в аноде. Положительный потенциал ускоряющего анода достигает нескольких десятков тысяч вольт, поэтому электроны, испускаемые катодом, на пути к аноду приобретают значительную кинетическую энергию. Для увеличения плотности энергии в луче после выхода электронов из ускоряющего анода электроны фокусируются магнитным полем в магнитной линзе. Сфокусированные в плотный пучок летящие электроны ударяются с большой скоростью о малую площадку, равную пятну нагрева на свариваемом изделии, при этом кинетическая энергия электронов вследствие торможения в материале свариваемого изделия превращается в теплоту, нагревая металл до очень высоких температур. Для перемещения луча по свариваемому изделию на пути электронов помещена магнитная отклоняющая система, позволяющая устанавливать луч точно по линии сварки (см. Сварка, резка, пайка металлов. М.: Аделант Арфа СВ, 1999, 192 с., с. 73-75).

Общими недостатками описанных устройств является, во-первых, слабая фокусировка пучка электронов из-за невозможности максимально близко к пучку электронов расположить изолированные токопроводящие витки магнитной линзы, приводящая к низкому качеству сварки, во-вторых, высокое энергопотребление из-за применения энергоемких магнитных катушек магнитной линзы и магнитной отклоняющей системы, и, в-третьих, большие габариты магнитной линзы и магнитной отклоняющей системы из-за необходимости изготавливать их в виде громоздких многовитковых катушек из изолированного провода.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве для электронно-лучевой сварки, содержащем катод, размещенный внутри прикатодного электрода, ускоряющий анод с отверстием, высоковольтный источник постоянного тока, магнитную линзу, размещающуюся между ускоряющим анодом и изделием, магнитная линза выполнена в виде токопроводящего раструба, снабженного продольной щелевой прорезью, с широкой частью, размещающейся у ускоряющего анода, и узкой частью, размещающейся у изделия.

Техническим результатом является, во-первых, повышение качества сварки путем увеличения фокусировки электронного луча, во-вторых, уменьшение энергопотребления, в-третьих, значительное уменьшение габаритов устройства для электронно-лучевой сварки.

Увеличение фокусировки электронного луча в устройстве для электронно-лучевой сварки обеспечивается созданием сильного магнитного поля, индуцированного малогабаритной магнитной линзой, выполненной в виде раструба.

Малое энергопотребление устройства для электронно-лучевой сварки обусловлено использованием малогабаритной магнитной линзы.

Значительно меньшие габариты устройства для электронно-лучевой сварки получились из-за применения магнитной линзы для фокусировки пучка электронов и для отклонения пучка электронов, выполненной в виде раструба.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид устройства для электронно-лучевой сварки, а на фиг.2 - продольное сечение магнитной линзы.

Устройство для электронно-лучевой сварки содержит катод 1, размещенный внутри прикатодного электрода 2, ускоряющий анод 3 с отверстием, высоковольтный источник 4 постоянного тока, магнитную линзу 5, размещающуюся между ускоряющим анодом 3 и изделием. Магнитная линза 5 выполнена в виде токопроводящего раструба с криволинейными образующими, снабженного продольной щелевой прорезью 6 с широкой частью, размещающейся у ускоряющего анода 3, и узкой частью, размещающейся у изделия 7.

Вдоль раструба протекает постоянный по направлению электрический ток, формирующий магнитное поле с магнитным барьером для фокусировки электронов. Магнитным барьером является повышенное значение магнитной индукции вокруг магнитной линзы 5. Магнитная линза 5 изготовлена из проводящего электрический ток материала. Магнитная линза 5 имеет переменный по длине диаметр, изменяющийся в соответствии с усредненной орбитой фокусируемых электронов. Магнитная линза 5 и продольная щелевая прорезь 6 в ней обеспечивают высокую фокусировку. Ускоряющий анод 3 установлен около широкой части магнитной линзы 5 вдоль щелевой прорези 6. Свариваемое изделие 7 размещено у узкой части магнитной линзы 5.

Для формирования магнитного поля с магнитным барьером необходимо подать электрический ток вдоль магнитной линзы 5. Положительный электрический потенциал при этом подается на широкий конец магнитной линзы 5, где вводятся электроны. Отрицательный потенциал подается на узкий конец магнитной линзы 5, из которого выводятся электроны. Распределение индукции по радиусу магнитной линзы 5 в зоне фокусировки электронов таково, что получается поле с барьером магнитной индукции. С помощью магнитного барьера магнитного поля магнитной линзы 5 осуществляется фокусировка луча электронов.

Предлагаемое устройство для электронно-лучевой сварки работает следующим образом.

Из катода 1 через отверстие прикатодного электрода 2 электроны вытягиваются электрическим полем между катодом 1 и анодом 3 и затем поступают в магнитную линзу 5. В магнитной линзе 5 пучок электронов фокусируется магнитным барьером, расположенным в провале магнитного поля вдоль щелевой прорези 6. Электроны подвержены воздействию силы Лоренца и не проходят через магнитный барьер. Электроны не пропускаются магнитным барьером и отклоняются магнитным полем на траекторию движения вдоль магнитного барьера. Электроны следуют по траектории, которую определяет протяженный магнитный барьер, вдоль щелевой прорези 6 к свариваемому изделию 7. Магнитный барьер магнитного поля, расположенный вдоль широкой части магнитной линзы 5, легко держит электроны на орбите. По мере движения легкие заряженные частицы попадают в область магнитного поля с большими значениями магнитной индукции и все надежнее удерживаются магнитным барьером.

Важнейшей особенностью магнитной линзы 5 является отсутствие катушек. Это стало возможно потому, что выполнение магнитной линзы 5 в виде токопроводящего раструба с криволинейными образующими позволило сформировать магнитный барьер магнитного поля. После магнитной линзы 5 электроны поступают к свариваемому изделию 7. Перемещение луча электронов по свариваемому изделию 7 осуществляется незначительным поворотом магнитной линзы 5, позволяющей устанавливать луч точно по линии сварки.

Предлагаемое изобретение, по сравнению с известными техническими решениями в этой области, повышает фокусировку пучка электронов, происходящую при размещении ускоряющего анода у широкой части раструба и создании сильного магнитного поля, индуцированного малогабаритной магнитной линзой в виде раструба; позволяет снизить энергопотребление во время фокусировки вследствие использования малогабаритной неэнергоемкой магнитной линзы; позволяет уменьшить габариты устройства, т. к., во-первых, максимальная фокусировка достигается на малой длине магнитной линзы, во-вторых, не требуется применение громоздких электромагнитов магнитной линзы.

Кроме того, при использовании предлагаемого изобретения уменьшаются материальные и финансовые затраты на изготовление и эксплуатацию устройства для электронно-лучевой сварки, т. к. заявляемое устройство для электронно-лучевой сварки не требует применения громоздких и энергоемких электромагнитов магнитной линзы.

Изобретение относится к области сварки и может найти применение при сварке тугоплавких и жаропрочных материалов в различных отраслях машиностроения. Катод размещен внутри прикатодного электрода. Магнитная линза размещена между ускоряющим анодом и изделием и выполнена в виде токопроводящего раструба, снабженного продольной щелевой прорезью с широкой частью, размещающейся у ускоряющего анода, и узкой частью, размещающейся у изделия. Такое выполнение устройства позволяет достичь уменьшения энергопотребления и значительного уменьшения габаритов устройства при одновременном увеличении фокусировки электронного луча. 2 ил.

Устройство для электронно-лучевой сварки, содержащее катод, размещенный внутри прикатодного электрода, ускоряющий анод с отверстием, высоковольтный источник постоянного тока, магнитную линзу, размещающуюся между ускоряющим анодом и изделием, отличающееся тем, что магнитная линза выполнена в виде токопроводящего раструба, снабженного продольной щелевой прорезью с широкой частью, размещающейся у ускоряющего анода, и узкой частью, размещающейся у изделия.