Обгрунтування вибору зварювальних матеріалів.

Довгостроковість катоду зварювальної гармати, працюючого у надзвичайно тяжких умовах, визначається по-перше можливістю формування пучка з максимальним струмом, який перетворює робочий струм і з збереженням з точністю до ±1 % вихідного положення площі фокусування пучка та симетрії пучка.

Дисковий катод закріплюють у молібденовий катодотримач.

Випаровування металів при зварюванні призводить до охолодження катоду та до виникнення на катоді поглиблень, які порушують вихідну геометрію поверхні, що імітує електрони, внаслідок чого змінюються оптимальні умови фокусування електронного пучка. Недостатньо високий вакуум у порожнині гармати у процесі зварювання призводить до інтенсивного руйнування поверхні катодів іонним бомбардуванням.

При визначенні терміну експлуатації катоду виходять зі швидкості випаровування його матеріалу. Термін експлуатації прямонакальних катодів визначається часом випарування десяти відсотків поперечного перерізу. На практиці термін експлуатації прямоканальних катодів, виготовлених з танталової стрічки при середній щільності струму складає менше одного часу. Таке розходження пояснюється тим, що руйнування катоду викликано не випаровуванням, а окисленням. Тому прямонаканальні катоди раціонально застосовувати у апаратурі з густиною струму (1...2)·10⁴ А/мм² або з невеликими циклами роботи [4].

Емісійна спроможність на швидкість випаровування катодів з piзних матеріалів при різних робочих температурах надано у таблиці 3.

 

Таблиця 3.3 – Характеристики термокатодів зварювальних гармат

Тип катоду	Температура нагріву, ºK	Електронна емісія, А/м^2	Швидкість випаровування, кг/м^2· с
Вольфрамовий		1,2 · 10^3 3 · 10^3 7 · 10^3 1,6 · 10^3	2,03 · 10^-8 - 1,12 · 10^-7
Танталовий		2,5 · 10^3 6,5 · 10^3 1,4 · 10^4	3,04 · 10^-8 - 5,54 · 10^-6
Лантанборидний		1,0 · 10^4 3 · 10^4 8,5 · 10^4 2,52 · 10^5	5,10 · 10^-7– 8 · 10^-6

 

У числі головних переваг лантаноборидного катоду на ряду зі стійкістю протиокислення та іонним бомбардуванням слід виділити також збереження емісійних властивостей при довгому перебуванні в активному стані на повітрі. Лантанборидний катод характеризується незначними витратами потужності на розігрівання, що сприяє меншим температурним деформуванням катодного вузла.

Недоліком цього катоду є його спроможність впливу парів зварювальних матеріалів.

У наслідок іонного бомбардування у центрі катода утворюється поглиблення, яке за 10...20 годин безперервної роботи може проникнути на всю товщу катоду. Експериментально встановлено, що об’єм іонного кратеру для танталового катоду при p = 1 · 10^-2 Па та U_пр = 30 кВ розраховується за формулою:

V=7.6 · 10^-5 ·I_п ·t, мм³ (3.1)

де I_п – струм пучка, мА;

t – час роботи, час.

Для лантанборидного катоду:

V=1,4 · 10^-5 ·I_п ·t (3.2)

Таким чином кратер по об’єму в лантанборидному катоді утворюється у п’ять разів менший ніж в танталовому, що ймовірно пов'язане із значною різницею густини цих матеріалів (P_LaB = 4.76 · 10³, Р_Ta =16.6·10³ кг/м³).

Масивні металеві термокатоди із вольфраму забезпечують більш високу прохідність струму пучка, та як значно менше випарується.

До недоліків металевих катодів у порівнянні з лантанборидними
належать:

- менша густина енергії у поперечному перерізі пучка через високі теплові швидкості електронів;

- деякі ускладнення конструкції катодного вузла, зв'язаного з необхідністю влучити дифузійне спікання.

Із перелічених недоліків та переваг різних видів термокатодів найбільш оптимальним за ціною та характеристиками для зварювання вилки карданного валу підходить катод із гексабориду лантану.

 

Таблиця 3.4 – Експлуатаційні характеристики катодів із гексабориду лантану.

 

Спосіб виготовлення	Число випробуваних катодів, шт.	Зменшення струму пучка за годину роботи, %	Помилка у визначенні, %
Для одного катоду	Середня для партії
Гаряче пресування				0,6
Те саме з подальшим облогом		4,6	1,7	0,6
Індукційна плавка		3,7	1,4	0,5

 

Основні технічні параметри обраного термокатоду наведені у таблиці 3.5.

 

Таблиця 3.5 – Технічні параметри катоду із гексабориду лантану

Тип катоду	Спосіб виготовлення	Умови праці	Діаметр, мм	Товщина, мм	Глибина вироблення за 40 годин роботи, мм	Стабільність положення фокусування пучка,%
Вакуум, Па	Uп, кВ	Іпучка, мА
LaB6	Індукційна плавка	2,66 · 10^-3			4,7	1,3	0,08-0,1	±2

 

 

Катод підлягає заміні після вироблення його поверхні на глибину до 0,3мм. Термін експлуатації складає 100…120 годин.

При виборі матеріалів був зроблений огляд матеріалів по конструкції катодних вузлів електронної гармати. Достатньо цікавими є матеріали представлені в статті Лободи П.І. „Нові катодні вузли для електронно-променевих установок технологічного призначення” [14].

Виявилося, що дисковий катод звичайно закріплюють в молібденовий катодотримач, і це приводить до порушення однорідності електричного поля на виступах катодотримача над поверхнею катода, що імітує, збільшенню розкиду значень швидкості руху емітованих катодом електронів і відповідно до погіршення фокусування електронного пучка. Крім того, через низьку температуру початку активної взаємодії матеріалу борідного катода з молібденовим катодотримачем різко зменшується термін експлуатації як катодотримача, так і катода.

Враховуючи те, що ніяка фокусуюча система не може підвищити яскравість більше за ту, що відповідає поверхні, яка емітує, очевидно, що тільки підвищена чистота матеріалу катода і нова конструкція катодного вузла можуть поліпшити просторово-енергетичні характеристики електронних пучків в установках технічного призначення.

 

1,11 – відповідно дисковий та новий Т-образний катод із монокристалічного гексабориду лантану; 2,8 – нагрівачі катоду у вигляді відповідно вольфрамової спіралі і монокристалічного гексаборидлантанового катоду; 3,10 – катодотримач відповідно з молібдену і дибориду титану або молібдену; 4,7 – елемент нагрівача;

5,9 – відповідно стопорне кільце з вольфраму і спеціального порошкового матеріалу; 6 – кільцева прокладка.

Рисунок 3.4 Схема старої (а) та нової (б) конструкції катодного вузла електронної гармати

 

Для того, щоб уникнути викривлення еквіпотенціальних ліній в електронно-променевій гарматі, розроблені новий катод Т-образної форми з монокристалічного гексаборида лантану підвищеної чистоти і новий катодний вузол (рис. 3.4). Поверхня емітуючої частини нового катода не оточена катодотримачем і не контактує з ним. Катод кріплять в керамічному катотримачі через кільце з діборідтітанового або молібденового дроту діаметром 0,1 - 0,15 мм. Катодотримач також виконує роль теплового екрану.

Експериментально доведено, що в реальних умовах роботи Т-образних катодів частка теплоти, яка відводиться від поверхні катодів унаслідок випромінювання і відбору електронів, збільшується у міру зростання їх діаметру, але не перевищує 50% загальної потужності, яка витрачається на нагрів катода до робочої температури. Інші 50% теплоти відводяться від катода кондуктивно через катодатримач.

Досліджені також характеристики нового катодного вузла. Доведено, що найбільша густина електронної емісії досягається при якнайменшому діаметрі нового катода з дослідженого діапазону 1,5-3,5 мм (рис.3.5). Навіть при мінімальних потужностях нагріву (20-25 Вт) новий катод працює в режимі обмеження сили струму пучка просторовим зарядом електронів (рис. 3.6).

 

 

 

Діаметр катоду, мм

 

Рисунок 3.5 Залежність густини струму емісії від діаметру робочої частини Т-образного катода з монокристалічного гексаборида лантану

(І=100 мА, U=60 кВ)

Потужність нагріву катода, Вт

 

Рисунок 3.6 Накальні характеристики електронної гармати з дисковим (верхня крива) і Т-образним (інші) катодом з монокристалічного гексабориду лантану (прискорююча напруга в діапазоні 15-30 кВ)

 

У нових катодних вузлах зменшені більш ніж удвічі втрати теплоти, яка

відводиться від катода теплопровідністю, що зменшує теплові навантаження на конструктивні елементи електронної гармати, знижує потужність джерела живлення, необхідну для оптимального нагріву катода і істотно продовжує термін служби катода. Термін експлуатації нових Т-образних катодів перевищує в 2-4 рази термін служби дискових катодів, виготовлених з монокристалів з підвищеним вмістом домішок, які використовують звичайно у виробничій практиці [14].

У більшості промислових установок для електронно-променевого зварювання відтворення швів забезпечується за рахунок контролю основних параметрів процесу: струму променю, струму магнітної фокусуючої лінзи, робочого проміжку „гармата-виріб”, прискорюючої напруги, швидкості зварювання. Про працездатність катоду судять за сумарним часом його роботи. Але перед зварюванням не контролюються просторо-енергетичні параметри променю (положення фокусу відносно поверхні виробу мінімальний діаметр, максимальна щільність струму та її розподіл у промені).

Структура променю, контур та положення фокусу встановлюється за допомогою датчику радіально розташованими щілинами або як у системі діагностики променю DIABEAM, пластини з отвором малого діаметру (0,1мм). Щоб за допомогою цих систем визначити форму променю в повздовжньому напрямку потрібно переміщувати датчик повздовж вісі пучка, що ускладнює роботу оператору.

В ІЕЗ ім. Е.О. Патона НАНУ з урахуванням потреб виробництва була розроблена комп’ютеризована система діагностики електронного променю, яка використовується при комплектації сучасних електронно-променевих зварювальних установок з потужністю пучка до 100 кВт. Система оснащена екраном-інтерфейсом, який полегшує її використання.

Пристрій діагностики розташовано у спеціально відведеному місці зварювальної камери (в стороні від зварювального виробу). Перед початком роботи електронна гармата переміщується в положення вище датчика і мішені. Діагностику променю проводять методом „краю пластини”. Електронний промінь відхилено більшу частину часу на мішень і лише 3 рази у секунду – у протилежному напрямку(на датчик). При цьому промінь перетинає край датчику, який з’єднано з „землею” через опір утіки. В цепі датчику протікає імпульс струму, по крутизні фронту нарощення якого розраховується розподіл щільності напруження у по­перечному перерізу променю. Імпульс нормується погоджувальним посилювачем та далі передається у комп'ютер через швидкодіючий аналого-цифровий перетворювач.

Заміри проводяться при зміні напруги фокусуючої лінзи. В ре­зультаті комп'ютерної обробки отриманих даних розраховується просторий розподіл потужності в промені, положення фокусу, мінімальний радіус у т.п. Відповідні розрахунки виконуються при допущенні, що електронний промінь має осьову симетрію, повністю справедливих для зварювальних гармат, які використовують шайбові або стержневі катоди з круговою симетрією. Якщо в електронній гарматі використовується катод, виготовлений із проволоки або стрічки, то осьова симетрія може порушатися, а чіткість замірів буде знижено.

Оператор-зварник, дивлячись на зображення, перш за все бачить як відносно поверхні та товщини виробу розташовано фокус променю, зона його найбільшої густини потужності (найбільш „гаряче місце”) при заданому струмі фокусуючої лінзи, яким чином потрібно змінювати фокусування, щоб розташувати мінімальний переріз променю на потрібний рівень відносно поверхні виробу.

На зображені променю надано такі розміри: по горизонтальній вісі вказано відстань від нижнього торця електронної гармати в мм, а по вертикальній – радіус променю в мм.

В інформаційних строках відображено величини, які задані опе­ратором: струм фокусуючої лінзи, струм променю, робоча відстань від торця гармати до поверхні виробу i товщина виробу. Тут же приво­дяться величини, які розраховуються системою діагностики променю: відстань від торця гармати до фокусу променю, ефективний мінімальний радіус променю в фокусі, максимальна густина струму, кут сходження променю.

Весь процес діагностики пучка займає близько 1 хвилини, його результатом є зображення на екрані дисплея подовжніх перетинів пучка: вгорі - початкового (для нового катода) і внизу - в даний момент часу. У випадку, якщо в пучку електронів, зважаючи на знос катода змінилося положення фокусу або зменшилася питома густина енергії, система діагностики зажадає у оператора заміну зношеного катода новим.

У кожній промисловій установці для електронно-променевого зварювання висновок про збереження працездатності гармати або про необхідність заміни катоду визначається технологічними умовами на електронно-променеве зварювання окремого виробу. У технологічній карті повинно бути вказано допустимі відхилення положення фокусу променю, мінімального радіусу променю, кута сходження, щільності струму. У разі недопустимого великого відхилення будь-якого параме­тру променю системою діагностики видається висновок про поганий стан катоду гармати та необхідності його заміни.

 

Таблиця 3.6 – Технічна характеристика системи діагностики електронного променю

 

Найменування параметру	Норма
Амплітуда імпульсу струму відхилення, А
Частота відхиляючих імпульсів, Гц
Тривалість імпульсу відхилення, мкс	30…50
Відстань від датчику до осі відхиляючого променю, мм
Середня відстань від нижнього торця гармати до датчика, мм
Середня швидкість руху променя відносно датчика, м/с
Частота перетворення аналого-цифрового перетворювача, МГц
Точність перетворення, розряд
Діапазон потужності пучків, які досліджуються, кВт	1…100
Точність визначення положення фокусу пучка, %	0,5…0,7

 

Таким чином, система діагностики є автономним програмно-апаратним комплексом, виконаним на базі промислового або персонального комп'ютера. Вбудовування його в будь-яку комп’ютеризовану зварювальну установку не складає труднощів [15].