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, фокусирующую 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 фокусирующей магнитной линзе, выполненной в виде токопроводящих многовитковых катушек. Перемещение луча по свариваемому изделию осуществляется с помощью магнитной отклоняющей системы, выполненной в виде токопроводящих многовитковых катушек. 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 [Назаренко O. K. Кайдалов А. А., Ковбасенко С.Н. и др. Электронно-лучевая сварка / Под редакцией Б.Е. Патона. - Киев: Наукова думка, 1987 г, с. 23-25] .

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 На расстоянии от катода, зависящем от ускоряющего электроны напряжения, расположен ускоряющий анод с отверстием. Устройство также содержит высоковольтный источник постоянного тока, фокусирующую магнитную линзу и магнитную отклоняющую систему. Фокусирующая магнитная линза и магнитная отклоняющая система выполнены в виде громоздких многовитковых катушек из изолированного провода. Выходящие из катода электроны предварительно 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. Магнитная отклоняющая система, позволяющая устанавливать луч точно по линии сварки, помещена на пути электронов для перемещения луча по свариваемому изделию [Сварка, резка, пайка металлов. - М: Аделант Арфа СВ, 1999.- 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 магнитных катушек фокусирующей магнитной линзы, приводящая к низкому качеству сварки, во-вторых, высокое энергопотребление из-за применения энергоемких магнитных катушек фокусирующей магнитной линзы и магнитной отклоняющей системы, и, в третьих, большие габариты вследствие громоздкости фокусирующей магнитной линзы и магнитной отклоняющей системы из-за необходимости изготавливать их в виде 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 и фокусирующую линзу, фокусирующая линза выполнена в виде пар пластинчатых элементов, расположенных с возможностью размещения электрических полей этих пар в перекрещивающихся направлениях с образованием единого электрического поля, представляющего для электронов электрический барьер, причем пластинчатые элементы изогнуты в поперечном сечении по окружным образующим концентричных полых цилиндров.

Техническим результатом является, во-первых, улучшение фокусировки электронного луча, во-вторых, уменьшение энергопотребления, в-третьих, значительное снижение габаритов устройства.

Улучшенная фокусировка электронного луча в устройстве для электронно-лучевой сварки обеспечивается вследствие образования сильного электрического поля, индуцированного малогабаритной электрической фокусирующей линзой, выполненной в виде двух перекрещивающихся пар пластинчатых элементов, причем эти пары элементов являются конденсаторами.

Малое энергопотребление устройства для электронно-лучевой сварки достигается вследствие выполнения фокусирующей линзы электрической, в отличие от выполнения фокусирующей линзы и отклоняющей системы магнитными в прототипе.

Малые габариты устройства для электронно-лучевой сварки обусловлены применением малогабаритной электрической фокусирующей линзы вместо использования магнитной фокусирующей линзы и магнитной отклоняющей системы в устройстве-прототипе.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен общий вид устройства для электронно-лучевой сварки; на фиг.2 показана схема изготовления пластинчатых элементов фокусирующей линзы; на фиг.3 - схема взаимного размещения пластинчатых элементов фокусирующей линзы. Кроме этого, на фиг. 1 дополнительно обозначено штриховыми линиями движение электронов.

Устройство для электронно-лучевой сварки содержит катод 1, размещенный внутри прикатодного электрода 2, ускоряющий анод 3 с отверстием, высоковольтный источник 4 постоянного тока и электрическую фокусирующую линзу 5. Фокусирующая линза 5 выполнена в виде перекрещивающихся пар пластинчатых элементов 6, 7 и 8, 9, являющихся конденсаторами. Электрические поля пар 6, 7 и 8, 9 размещены в перекрещивающихся направлениях. Пластинчатые элементы 6, 7, 8, 9 изогнуты в поперечном сечении по окружным образующим концентричных полых цилиндров и изогнуты в продольном сечении по дугам круговых орбит электронов.

Фокусирующая линза 5 образована двумя парами пластинчатых элементов 6, 7 и 8, 9, являющимися конденсаторами, изогнутых в поперечном сечении по окружным образующим концентричных полых цилиндров и изогнутых в продольном сечении по дугам круговых орбит электронов. При этом обе пары пластинчатых элементов 6, 7 и 8, 9, изогнутых в поперечном сечении по участкам окружных образующих концентричных полых цилиндров и в продольном сечении по дугам круговых орбит электронов, расположены перекрещивающимися так, что их электрические поля размещены в перекрещивающихся направлениях с образованием единого электрического поля, представляющего для электронов электрический барьер. Ускоряющий электроны анод 3 установлен около торцов пластинчатых элементов 6, 7, 8, 9 фокусирующей линзы 5 вдоль щелевого промежутка между пластинчатыми элементами 6, 8. Пластинчатые элементы 6, 7, 8, 9 вырезаны из коаксиальных изогнутых в продольном сечении тонкостенных труб, внутренняя из которых в продольном сечении изогнута по дуге круговой орбиты электронов. Пластинчатые элементы 6, 8 изготовлены симметричными путем вырезания из тонкостенной трубы, имеющей меньший диаметр. Пластинчатые элементы 7, 9 также изготовлены симметричными путем вырезания из тонкостенной трубы, имеющей больший диаметр. В фокусирующей линзе 5 на пути к свариваемому изделию 10 пучок 11 электронов расположен между пластинчатыми элементами 6, 8. Электрическим барьером для электронов является электрическое поле в протяженных областях пространства между пластинчатыми элементами 6, 7, 8, 9 со стороны щелевого промежутка между пластинчатыми элементами 6, 8. Последовательное в направлении увеличения радиуса изгиба пластинчатых элементов расположение щелевого промежутка между пластинчатыми элементами 6, 8, расположение электрического барьера, полученного наложением перекрещивающихся электрических полей, и щелевого промежутка между пластинчатыми элементами 7, 9 обеспечивает фокусировку луча электронов. Свариваемое изделие 10 размещено около дальних от ускоряющего анода 3 торцов пластинчатых элементов 6, 7, 8, 9 фокусирующей линзы 5 вдоль щелевого промежутка между пластинчатыми элементами 6, 8.

Для формирования электрического поля с электрическим барьером необходимо подать одинаковые электрические напряжения на каждый конденсатор фокусирующей линзы 5. Одинаковые отрицательные электрические потенциалы от независимых друг от друга источников постоянного по направлению электрического напряжения при этом подаются на широкие пластинчатые элементы 7, 9 фокусирующей линзы 5. Одинаковые положительные потенциалы подаются на узкие пластинчатые элементы 6, 8 фокусирующей линзы 5. Распределение напряженности электрического поля в фокусирующей линзе 5 в зоне фокусировки электронов таково, что образуется поле между пластинчатыми элементами 6, 7 и 8, 9 с электрическим барьером для электронов.

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 направляются к фокусирующей линзе 5. К пластинчатым элементам 6, 8 подведены положительные электрические потенциалы, а к пластинчатым элементам 7, 9 подведены отрицательные электрические потенциалы. Перекрещивающееся наложение электрических полей между пластинчатыми элементами 6, 7 и 8, 9, отрицательный потенциал на пластинчатых элементах 7, 9 и положительный потенциал на пластинчатых элементах 6, 8 сформировали между пластинчатыми элементами 6, 7, 8, 9 электрическое поле, являющееся электрическим барьером, предназначенным для фокусировки электронов. Для доступа к электрическому барьеру служит продольный щелевой промежуток между пластинчатыми элементами 6, 8. Повышенная результирующая напряженность электрического поля между пластинчатыми элементами 6, 7, 8, 9, по сравнению с напряженностью, необходимой для движения электронов по такой же траектории в непрерывном электрическом поле, создала физические условия, при которых электроны, не углубляясь в область сильного электрического поля, идут вдоль изогнутого электрического барьера. Эквипотенциальные поверхности электрического поля в локальной протяженной области электрического барьера имеют форму желоба, расположенного между пластинчатыми элементами 6 и 8. При наличии такого электрического барьера электроны, за счет соответствующего размещения пластинчатых элементов 6, 7, 8, 9, направлены касательно к вогнутой стороне пластинчатых элементов 6, 8. При подходе к электрическому барьеру, образованному суперпозицией в пересекающихся направлениях электрического поля между пластинчатыми элементами 6, 7 и электрического поля между пластинчатыми элементами 8, 9, постепенно меняется направление движения электронов из-за увеличения напряженности электрического поля, и в дальнейшем электроны летят по дуговой траектории вдоль вогнутой стороны электрического барьера. Вогнутая сторона электрического барьера расположена вдоль продольного щелевого промежутка между пластинчатыми элементами 6, 8. При напряженности электрического поля, удовлетворяющей условию
E > mv/qR (1)
где R - радиус изгиба электрического барьера,
электрон перемещается вдоль электрического барьера. Радиус орбиты всех фокусируемых электронов определяется не величиной напряженности поперечного электрического поля на пути электронов, а положением электрического барьера в пространстве, при достаточной величине электрического барьера. Посредством размещенных на пластинчатых элементах 6, 8 положительных электрических зарядов и размещенных на пластинчатых элементах 7, 9 отрицательных электрических зарядов для фокусировки электронов сформирован электрический барьер такой высоты, и электрическая напряженность поддерживается на таком уровне, когда пучок электронов остается на орбите. Радиус орбиты фокусируемых электронов определяется не величиной напряженности поперечного электрического поля на пути электронов, а положением электрического барьера в пространстве, при достаточной величине электрического барьера.

Производительность устройства для электронно-лучевой сварки определяется током извлекаемых из катода электронов и напряжением вытягивающего электроны электрического поля. Величина тока извлекаемых из источника электронов определяет размеры фокусирующей линзы.

Предлагаемое изобретение, по сравнению с известными техническими решениями в этой области, повышает фокусировку пучка электронов, происходящую при размещении ускоряющего анода у торцов пластинчатых элементов электрической фокусирующей линзы; снижает энергопотребление во время фокусировки, т.к. отсутствуют энергоемкие электромагниты; уменьшает габариты устройства, т.к. не требуется применение громоздких электромагнитов. 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.

Изобретение относится к области сварки и может найти применение при сварке тугоплавких и жаропрочных материалов в различных отраслях машиностроения. Катод размещен внутри прикатодного электрода. Фокусирующая линза выполнена в виде пар пластинчатых элементов, расположенных с возможностью размещения электрических полей этих пар в перекрещивающихся направлениях с образованием единого электрического поля, представляющего для электронов электрический барьер. Пластинчатые элементы изогнуты в поперечном сечении по окружным образующим концентричных полых цилиндров. Технический результат изобретения: улучшенная фокусировка электронного луча, малое энергопотребление, значительно меньшие габариты, малая материалоемкость. 3 ил.

Устройство для электронно-лучевой сварки, содержащее катод, размещенный внутри прикатодного электрода, ускоряющий анод с отверстием, высоковольтный источник постоянного тока, фокусирующую линзу, отличающееся тем, что фокусирующая линза выполнена в виде пар пластинчатых элементов, расположенных с возможностью размещения электрических полей этих пар в перекрещивающихся направлениях с образованием единого электрического поля, представляющего для электронов электрический барьер, причем пластинчатые элементы изогнуты в поперечном сечении по окружным образующим концентричных полых цилиндров.