RU2217281C2

RU2217281C2 - Apparatus for electron beam welding

Info

Publication number: RU2217281C2
Application number: RU2002105838/02A
Authority: RU
Inventors: В.Т. Доронин; В.Ф. Задонцев
Original assignee: Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова
Priority date: 2002-03-04
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2003-11-27

Abstract

FIELD: processes and equipment for electron beam welding, possibly of refractory and heat resistant materials in different branches of machine engineering. SUBSTANCE: apparatus includes high voltage power source, vacuum chamber, cathode, potential bias grid with opening, accelerating anode with opening, electromagnetic focusing lens and electromagnetic deflection system. Each electromagnetic focusing lens is in the form of annular tube inducting magnetic field, made of superconducting material and having ends separated by means of groove and gap between ends. EFFECT: enhanced quality of welding due to improved focusing of electron beam, lowered power consumption and size of apparatus. 3 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к сварочной технике, предназначено для сварки плавлением и может быть использовано для сварки тугоплавких и жаропрочных материалов. The present invention relates to a welding technique, is intended for fusion welding and can be used for welding refractory and heat-resistant materials.

Известно устройство для электронно-лучевой сварки, содержащее катод и ускоряющий анод с отверстием, электромагнитную линзу, электромагнитную 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 электромагнитной линзе устройства для электронно-лучевой сварки. Перемещение луча по свариваемому изделию осуществляется с помощью электромагнитной 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 [O. K. Назаренко, А.А. Кайдалов, С.Н. Ковбасенко и др. Электронно-лучевая сварка. Под редакцией Б.Е. Патона. - Киев: Наукова думка, 1987, с. 23-25]. A device for electron beam welding is known, comprising a cathode and an accelerating anode with a hole, an electromagnetic lens, an electromagnetic deflecting system, and a high voltage direct current source. The electrons exiting the cathode are focused into the beam using an electric field between the cathode and the accelerating anode. On the way from the cathode to the accelerating anode, the electrons acquire enough energy for welding the product. On the way from the accelerating anode to the welded product, the electron beam is focused by a magnetic field in the electromagnetic lens of the electron beam welding device. The beam is moved along the welded product using an electromagnetic deflecting system. The kinetic energy of electrons due to braking in the material of the welded product is converted into heat, heating the material to high temperatures. The electric power supply of the device for electron beam welding is carried out from a high-voltage source of direct current [O. K. Nazarenko, A.A. Kaydalov, S.N. Kovbasenko et al. Electron beam welding. Edited by B.E. Paton. - Kiev: Naukova Dumka, 1987, p. 23-25].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к заявляемому изобретению является устройство для электронно-лучевой сварки, которое работает по принципу функционирования электровакуумного триода. Устройство для электронно-лучевой сварки содержит высоковольтный источник питания, вакуумную камеру, катод, сетку смещения электрического потенциала с отверстием, ускоряющий анод с отверстием, электромагнитные фокусирующие линзы и электромагнитную отклоняющую систему. Каждая электромагнитная фокусирующая линза выполнена в виде индуктирующей магнитное поле многовитковой катушки из изолированного провода. Выходящие из катода электроны фокусируются с помощью электрического поля между катодом, сеткой смещения электрического потенциала с отверстием и ускоряющим анодом в пучок с диаметром, сначала равным диаметру отверстия в сетке смещения потенциала, затем 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 электромагнитных линзах. 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. книгу Сварка, резка, пайка металлов. М.: Аделант Арфа СВ, 1999, 192 с., с. 73-75). The closest in technical essence and the achieved result (prototype) to the claimed invention is a device for electron beam welding, which operates on the principle of functioning of an electric vacuum triode. The device for electron beam welding contains a high-voltage power source, a vacuum chamber, a cathode, an electric potential bias grid with a hole, an accelerating anode with a hole, electromagnetic focusing lenses and an electromagnetic deflecting system. Each electromagnetic focusing lens is made in the form of a multi-turn coil inducing the magnetic field of an insulated wire. The electrons emerging from the cathode are focused using an electric field between the cathode, the bias grid of the electric potential with the hole and the accelerating anode into a beam with a diameter first equal to the diameter of the hole in the bias grid, then equal to the diameter of the hole in the anode. The positive potential of the accelerating anode reaches several tens of thousands of volts; therefore, the electrons emitted by the cathode acquire significant kinetic energy on the way to the anode. To increase the energy density in the beam after the electrons exit the accelerating anode, the electrons are focused by a magnetic field in electromagnetic lenses. Focused in a dense beam, flying electrons hit at a high speed a small area equal to the heating spot on the welded product, while the kinetic energy of the electrons, as a result of braking in the material of the welded product, turns into heat, heating the metal to very high temperatures. To move the beam along the welded product, a magnetic deflecting system was placed in the path of the electrons, allowing the beam to be installed exactly along the welding line (see the book Welding, cutting, soldering of metals. M: Adelant Arfa SV, 1999, 192 pp., 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 многовитковой электромагнитной фокусирующей линзы, приводящая к низкому качеству сварки; во-вторых, высокое энергопотребление из-за применения энергоемких многовитковых катушек электромагнитной фокусирующей линзы и электромагнитной отклоняющей системы, и, в третьих, большие габариты устройства вследствие значительных размеров электромагнитных фокусирующих линз и электромагнитной отклоняющей системы из-за необходимости изготавливать их в виде громоздких многовитковых катушек из изолированного провода. Common disadvantages of the described devices is, firstly, the weak focusing of the electron beam, due to the impossibility of placing insulated conductive turns of a multi-turn electromagnetic focusing lens as close as possible to the electron beam, which leads to poor welding quality; secondly, high energy consumption due to the use of energy-consuming multi-turn coils of an electromagnetic focusing lens and an electromagnetic deflecting system, and thirdly, the large dimensions of the device due to the significant size of electromagnetic focusing lenses and an electromagnetic deflecting system due to the need to manufacture them in the form of bulky multi-turn coils from an insulated wire.

Предлагаемым изобретением решается задача, во-первых, повышения качества сварки путем увеличения фокусировки электронного луча, во-вторых, уменьшения энергопотребления, в-третьих, значительного уменьшения габаритов устройства для электронно-лучевой сварки. The present invention solves the problem, firstly, of improving the quality of welding by increasing the focusing of the electron beam, secondly, of reducing energy consumption, and thirdly, of significantly reducing the dimensions of the device for electron beam welding.

Для достижения указанного результата в устройстве для электронно-лучевой сварки, содержащем высоковольтный источник питания, вакуумную камеру, катод, сетку смещения электрического потенциала с отверстием, ускоряющий анод с отверстием, электромагнитные фокусирующие линзы и электромагнитную отклоняющую систему, каждая электромагнитная фокусирующая линза выполнена в виде индуктирующей магнитное поле кольцеобразной трубки из сверхпроводящего материала, имеющей пазовое разделение торцов с образованием зазора между ними. To achieve this result, in an electron beam welding device containing a high-voltage power supply, a vacuum chamber, a cathode, an electric potential bias grid with a hole, an accelerating anode with a hole, electromagnetic focusing lenses and an electromagnetic deflecting system, each electromagnetic focusing lens is made in the form of an induction the magnetic field of an annular tube of superconducting material having a groove separation of the ends with the formation of a gap between them.

Увеличение фокусировки электронного луча в устройстве для электронно-лучевой сварки обеспечивается созданием сильного магнитного поля, индуктированного малогабаритными электромагнитными фокусирующими линзами, каждая из которых выполнена в виде индуктирующей магнитное поле кольцеобразной трубки из сверхпроводящего материала, имеющей пазовое разделение торцов с образованием зазора между ними. An increase in the focusing of the electron beam in the device for electron beam welding is provided by the creation of a strong magnetic field induced by small-sized electromagnetic focusing lenses, each of which is made in the form of a magnetic field-inducing ring-shaped tube of superconducting material having a grooved separation of the ends to form a gap between them.

Снижение энергопотребления устройства для электронно-лучевой сварки обусловлено использованием неэнергоемких одновитковых малогабаритных электромагнитных фокусирующих линз. The reduction in energy consumption of the device for electron beam welding is due to the use of non-energy-intensive single-turn small-sized electromagnetic focusing lenses.

Уменьшение габаритов устройства для электронно-лучевой сварки обусловлено применением электромагнитных линз для фокусировки пучка электронов, каждая из которых выполнена в виде индуктирующей магнитное поле кольцеобразной трубки из сверхпроводящего материала, имеющей пазовое разделение торцов с образованием зазора между ними. The reduction in size of the device for electron beam welding is due to the use of electromagnetic lenses for focusing the electron beam, each of which is made in the form of a magnetic field-inducing ring-shaped tube of superconducting material having a grooved separation of the ends to form a gap between them.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен общий вид устройства для электронно-лучевой сварки, а на фиг.2 представлен общий вид электромагнитной фокусирующей линзы; на фиг.3 - ее вид сверху. The invention is illustrated by the drawing, in which Fig. 1 shows a general view of a device for electron beam welding, and Fig. 2 shows a general view of an electromagnetic focusing lens; figure 3 - its top view.

Устройство для электронно-лучевой сварки содержит высоковольтный источник 1 питания, вакуумную камеру 2, катод 3, сетку 4 смещения электрического потенциала с отверстием, ускоряющий анод 5 с отверстием, электромагнитные фокусирующие линзы 6, 7 и электромагнитную отклоняющую систему 8. Устройство предназначено для сварки изделия 9. Катод 3 выполнен из монокристалла гексаборида лантана и обеспечивает электрический ток в 1 А. Каждая электромагнитная фокусирующая линза 6, 7 выполнена в виде одновитковой индуктирующей кольцеобразной трубки 10 из сверхпроводящего материала, имеющей пазовое разделение торцов 11, 12 с образованием зазора 13 между ними. В индуктирующей кольцеобразной трубке 10 имеется полость 14 между торцами 11 и 12. Образованный торцами 11 и 12 индуктирующей кольцеобразной трубки 10 зазор 13 служит для пазового разделения торцов 11, 12 друг от друга по току. Каждая фокусирующая линза 6, 7 содержит токоподводящие шины 15 для электрического тока и патрубки 16 для охлаждающей жидкости. Для формирования фокусирующего магнитного поля и качественной фокусировки электронного луча индуктирующую кольцеобразную трубку 10 изготавливают из сверхпроводника круглого или эллипсовидного сечения. Токоподводящие шины 15 присоединяются к торцам 11 и 12 индуктирующей кольцеобразной трубки 10 каждой электромагнитной фокусирующей линзы 6 и 7 по линиям раздела торцов 11 и 12 со сложным зазором 13. Присоединение токоподводящих шин 15 к концам индуктирующей кольцеобразной трубки 10 обеспечивает протекание электрического тока по полному витку индуктирующей кольцеобразной трубки 10. Токоподводящие шины 15 противоположными концами подсоединяются к электрическому источнику 1 питания. Вдоль индуктирующей кольцеобразной трубки 10 протекает постоянный по направлению электрический ток, формирующий магнитное поле для фокусировки электронов. Пазовое разделение торцов 11 и 12 индуктирующей кольцеобразной трубки 10 каждой электромагнитной линзы 6 и 7 обеспечивают однородное распределение индукции вокруг фокусируемого электронного луча и высокую фокусировку электронного луча. Охлаждение сверхпроводящей индуктирующей кольцеобразной трубки 10 осуществляется подводимым к патрубкам 16 и далее циркулирующим вдоль полости 14 индуктирующей кольцеобразной трубки 10 охлаждающим агентом. The device for electron beam welding contains a high-voltage power source 1, a vacuum chamber 2, a cathode 3, an electric potential bias grid 4 with a hole, an accelerating anode 5 with a hole, electromagnetic focusing lenses 6, 7 and an electromagnetic deflecting system 8. The device is intended for welding the product 9. The cathode 3 is made of a single crystal of lanthanum hexaboride and provides an electric current of 1 A. Each electromagnetic focusing lens 6, 7 is made in the form of a single-turn induction ring-shaped tube 10 of s erhprovodyaschego material having a groove-like separation of the ends 11, 12 to define a gap 13 therebetween. In the induction annular tube 10 there is a cavity 14 between the ends 11 and 12. The gap 13 formed by the ends 11 and 12 of the induction annular tube 10 serves to groove the current ends 11, 12 from each other. Each focusing lens 6, 7 contains current-carrying buses 15 for electric current and nozzles 16 for coolant. For the formation of a focusing magnetic field and high-quality focusing of the electron beam, the induction ring-shaped tube 10 is made of a superconductor of round or ellipsoidal cross-section. The current-carrying buses 15 are connected to the ends 11 and 12 of the induction ring-shaped tube 10 of each electromagnetic focusing lens 6 and 7 along the dividing lines of the ends 11 and 12 with a complex gap 13. The connection of the current-carrying buses 15 to the ends of the induction ring-shaped tube 10 ensures the flow of electric current through the full turn of the induction an annular tube 10. Current-carrying bus 15 opposite ends are connected to an electric power source 1. Along the induction ring-shaped tube 10, a constant current flows in electric current, forming a magnetic field for focusing the electrons. The groove separation of the ends 11 and 12 of the induction ring-shaped tube 10 of each electromagnetic lens 6 and 7 provides a uniform distribution of induction around the focused electron beam and high focusing of the electron beam. The cooling of the superconducting induction ring-shaped tube 10 is carried out by a cooling agent circulating along the cavity 14 of the induction ring-shaped tube 10 and supplied to the nozzles 16.

Предлагаемое устройство для электронно-лучевой сварки работает следующим образом. The proposed device for electron beam welding works as follows.

Высоковольтный источник 1 питания обеспечивает электрической энергией функционирование всех узлов устройства для электронно-лучевой сварки, в том числе обеспечивает нагрев расположенного в вакуумной камере 2 катода 3. Катод 3 позволяет непрерывно работать до 30 ч. Из него происходит эмиссия электронов. Выходящие из катода 3 электроны сначала формируются в направленный поток электронов. Затем с помощью электрического поля между катодом 3, сеткой 4 смещения электрического потенциала с отверстием и ускоряющим анодом 5 электроны фокусируются в пучок с диаметром, сначала равным диаметру отверстия в сетке 4 смещения потенциала, затем в пучок, равным диаметру отверстия в аноде 5. Разность потенциалов между ускоряющим анодом 5 и катодом 3 достигает нескольких десятков тысяч вольт, поэтому испускаемые катодом 3 электроны на пути к аноду 5 приобретают высокую кинетическую энергию. Далее, для увеличения плотности энергии в электронном луче, после выхода электронов из отверстия ускоряющего анода 5 электроны направляются в электромагнитную фокусирующую линзу 6. Для формирования фокусирующего магнитного поля электрический ток пропускается по витку индуктирующей кольцеобразной трубки 10 электромагнитной линзы 6. Разность потенциалов подается на концы индуктирующей кольцеобразной трубки 10 электромагнитной фокусирующей линзы 6. Распределение индукции по радиусу электромагнитной фокусирующей линзы 6 таково, что получают в центре витка индуктирующей кольцеобразной трубки 10 фокусирующее магнитное поле и зону фокусировки электронов. В центре витка индуктирующей трубки 10 с помощью магнитного поля осуществляется фокусировка луча электронов. При пропускании постоянного электрического тока через индуктирующую трубку 10 вокруг индуктирующей трубки 10 возникает магнитное поле, напряженность которого не изменяется по величине и по направлению в пространстве. Напряженность магнитного поля и плотность магнитного потока получаются наибольшими внутри витка вблизи индуктирующей трубки 10. У направленного электронного луча внутрь витка индуктирующей трубки 10 постоянный магнитный поток осуществляет еще большую фокусировку. Магнитное поле фокусирующей линзы 6 особенно активно воздействует на электроны в поверхностных слоях потока электронов, что и приводит к фокусировке электронного луча. Глубина фокусировки, профиль магнитного поля и параметры электронного луча зависят от формы индуктирующей трубки 10 и конструкции торцов 11 и 12. Пазовое разделение торцов 11 и 12 индуктирующей трубки 10 обеспечивает протекание постоянного электрического тока по полному витку индуктирующей трубки 10 и однородную индукцию магнитного поля вокруг фокусируемого электронного луча. Магнитный поток приводит к действию силы Лоренца на все пролетающие электроны. High-voltage power supply 1 provides electric energy to the operation of all nodes of the device for electron beam welding, including heating the cathode 3 located in the vacuum chamber 2. Cathode 3 allows continuous operation for up to 30 hours. Electron emission occurs from it. The electrons emerging from the cathode 3 are first formed into a directed stream of electrons. Then, using an electric field between the cathode 3, the electric potential bias grid 4 with the hole and the accelerating anode 5, the electrons are focused into a beam with a diameter equal to the diameter of the hole in the potential bias grid 4, then into the beam equal to the diameter of the hole in the anode 5. Potential difference between the accelerating anode 5 and cathode 3 reaches several tens of thousands of volts, so the electrons emitted by the cathode 3 on the way to the anode 5 acquire high kinetic energy. Further, to increase the energy density in the electron beam, after the electrons exit the hole of the accelerating anode 5, the electrons are sent to the electromagnetic focusing lens 6. To form a focusing magnetic field, an electric current is passed through the coil of the induction ring-shaped tube 10 of the electromagnetic lens 6. The potential difference is applied to the ends of the induction the annular tube 10 of the electromagnetic focusing lens 6. The distribution of induction along the radius of the electromagnetic focusing lens 6 is such that In the center of the coil of the induction ring-shaped tube 10, a focusing magnetic field and an electron focusing zone are arranged. In the center of the coil of the induction tube 10, the electron beam is focused using a magnetic field. When a direct electric current is passed through an induction tube 10, a magnetic field arises around the induction tube 10, the intensity of which does not change in magnitude and in space. The magnetic field strength and magnetic flux density are greatest inside the coil near the induction tube 10. For a directed electron beam inside the coil of the induction tube 10, the constant magnetic flux carries out even greater focusing. The magnetic field of the focusing lens 6 is particularly active on the electrons in the surface layers of the electron flow, which leads to the focusing of the electron beam. The depth of focus, the profile of the magnetic field, and the parameters of the electron beam depend on the shape of the induction tube 10 and the design of the ends 11 and 12. The grooved separation of the ends 11 and 12 of the induction tube 10 provides a constant electric current flowing through the full turn of the induction tube 10 and uniform magnetic induction around the focused electron beam. Magnetic flux leads to the action of the Lorentz force on all passing electrons.

После электромагнитной линзы 6 электроны следуют в такую же электромагнитную линзу 7, где происходят аналогичные процессы, далее в электромагнитную отклоняющую систему 8 и затем к свариваемому изделию 9. Свариваемое изделие 9 размещено по ходу электронов после электромагнитной отклоняющей системы 8. Перемещение луча по свариваемому изделию 9 осуществляется с помощью электромагнитной отклоняющей системы 8, позволяющей устанавливать луч точно по линии сварки на свариваемом изделии 9. After the electromagnetic lens 6, the electrons go to the same electromagnetic lens 7, where similar processes take place, then to the electromagnetic deflecting system 8 and then to the welded product 9. The welded product 9 is placed along the electrons after the electromagnetic deflecting system 8. Moving the beam along the welded product 9 carried out using an electromagnetic deflecting system 8, which allows you to set the beam exactly along the welding line on the welded product 9.

Предлагаемое изобретение по сравнению с известными техническими решениями в этой области повышает фокусировку пучка электронов, происходящую при усилении фокусировки электронного луча, которая обеспечивается созданием сильного магнитного поля, индуктированного каждой малогабаритной электромагнитной линзой, выполненной в виде витка индуктирующей трубки. Изобретение снижает энергопотребление устройства для электронно-лучевой сварки, обусловленное использованием одновитковых, малогабаритных, электромагнитных фокусирующих линз и уменьшает габариты устройства для электронно-лучевой сварки из-за применения малогабаритных электромагнитных линз для фокусировки пучка электронов. The present invention, compared with the known technical solutions in this area, increases the focusing of the electron beam, which occurs when the focusing of the electron beam is enhanced, which is achieved by creating a strong magnetic field induced by each small-sized electromagnetic lens made in the form of a coil of an induction tube. The invention reduces the energy consumption of a device for electron beam welding due to the use of single-turn, small-sized, electromagnetic focusing lenses and reduces the size of the device for electron-beam welding due to the use of small-sized electromagnetic lenses for focusing an electron beam.

Кроме того, при использовании предлагаемого устройства для электронно-лучевой сварки уменьшаются материальные и финансовые затраты на изготовление и эксплуатацию устройства, т. к. оно не требует применения громоздких и энергоемких электромагнитов линзы. In addition, when using the proposed device for electron beam welding, material and financial costs for the manufacture and operation of the device are reduced, since it does not require the use of bulky and energy-intensive lens electromagnets.

Claims

Устройство для электронно-лучевой сварки, содержащее высоковольтный источник питания, вакуумную камеру, катод, сетку смещения электрического потенциала с отверстием, ускоряющий анод с отверстием, электромагнитные фокусирующие линзы и электромагнитную отклоняющую систему, отличающееся тем, что каждая электромагнитная фокусирующая линза выполнена в виде индуктирующей магнитное поле кольцеобразной трубки из сверхпроводящего материала, имеющей пазовое разделение торцов с образованием зазора между ними.A device for electron beam welding containing a high-voltage power source, a vacuum chamber, a cathode, an electric potential bias grid with a hole, an accelerating anode with a hole, electromagnetic focusing lenses and an electromagnetic deflecting system, characterized in that each electromagnetic focusing lens is made in the form of an inducing magnetic the field of an annular tube of superconducting material having a grooved separation of the ends with the formation of a gap between them.