Материал: Управление электронно-лучевой сваркой

Мощность электронного пучка регулируется изменением его тока (при постоянном ускоряющем напряжении) путем подачи отрица­ тельного (по отношению к катоду) напряжения на управляющий элек­ трод. Чем выше это напряжение, тем меньше ток электронного пучка, вплоть до полного запирания пушки. Плотность распределения энергии электронного пучка по его поперечному сечению в зоне сварки управ­ ляется с помощью системы электромагнитной фокусировки пучка. Максимальный ток пучка, развиваемый пушкой, ограничивается эмис­ сионными свойствами катода. К катоду сварочной пушки предъявля­ ются чрезвычайно жесткие требования, определяемые неблагоприят­ ными условиями его работы. В большинстве сварочных пушек приме­ няются металлические термокатоды, эмиссионная способность кото­ рых определяется формулой Дешмана

где уэм - плотность тока эмиссии; А - константа - коэффициент эмис­

электрона из металла, эВ.

Для получения больших плотностей тока выбирают материалы катода с небольшой работой выхода, допускающие нагрев до высоких температур при сравнительно малой скорости испарения материала. Наиболее отвечают этим требованиям металлы: вольфрам (ср = 4,52 эВ; А = 60 а/см2 • град2) и тантал (ср = 4,12 эВ; А = 37 а/см2 • град2).

В нашей стране, а последнее время и за рубежом, применяют лантан-баридные (LaB6) катоды (ср = 2,6 эВ; А = 29 а/см2 • град2).

Конструктивно катоды сварочных электронных пушек выпол­ няются прямонакальным и с косвенным подогревом. Прямонакальные катоды просты в изготовлении, но имеют ряд существенных недостат­ ков. В них трудно обеспечить правильную геометрическую форму эми­ тирующей поверхности. Ток нагрева катода создает магнитное поле, приводящее к сдвигу оси пучка от геометрической оси пушки.

Катоды с косвенным подогревом создают более равномерную по поверхности плотность эмиссии и являются эквипотенциальными. Основное преимущество лантан-баридных катодов по сравнению с металлическими - высокая эмиссионная способность (10 А/см2) при относительно низкой рабочей температуре (1600 °С). Но на работу лантан-баридного катода оказывают влияние пары свариваемых мате­

риалов. Ввиду того что температура плавления некоторых тугоплавких элементов выше рабочей температуры катода, они осаждаются на по­ верхность и катод постепенно теряет свои свойства. Для увеличения продолжительности работы такого катода необходимо повышать его температуру до 1900...2000 °С. Время непрерывной стабильной работы такого катода в этом режиме определяется его испарением и ионной бомбардировкой, которая приводит к изменению геометрии эмити­ рующей поверхности вплоть до образования отверстия в катоде, при­ водящего к изменению пучка электронов.

Более стабильные параметры пучка обеспечивают массивные (толщиной 1... 1,5 мм) металлические катоды, подогреваемые путем электронной бомбардировки. Температура нагрева таких катодов зна­ чительно выше (2000...2200 °С) и требуется в 2-3 раза большая мощ­ ность накала. Долговечность таких катодов составляет 10 и более часов непрерывной работы.

Основную роль в формировании пучка сварочной электронной пушки играет прикатодная электронно-оптическая система. Площадь рабочей поверхности катода для получения токов в десятки и сотни миллиампер обычно относительно велика, поэтому она не выбирается в качестве предмета, Который отображается затем фокусирующей систе­ мой в качестве пятна на свариваемом изделии. Для создания такого предмета-кроссовера электростатическое поле в прикатодной области должно оказывать не только ускоряющее, но и собирающее действие на электроны, имитированные катодом. В большинстве случаев в про­ жекторах сварочных электронных пушек используются трех электрод­ ные аксиально-симметричные системы. Такая система состоит из като­ да, управляющего электрода с отверстием и ускоряющего электрода - анода. Анод обычно представляет собой диафрагму с отверстием. Вви­ ду того что термоэлектроны вылетают из катода с различными по ве­ личине и направлению начальными скоростями, они соберутся на оси не в точке, а в некотором кружке, который можно считать наименьшим поперечным сеченНем пучка - кроссовером. Чем меньше диаметр кроссовера и угол сходимости пучка, тем легче получить на изделии минимальное фокальное пятно. Вследствие того что тепловые скорости электронов распределены по Максвеллу, распределение плотности тока в пятне подчиняется кривой Гаусса и может быть описано формулой

где г - радиальное расстояние от оси; ге- радиус пучка, при котором плотность тока в радиальном направлении снижается в е раз.

У реальных генераторов пучков функция распределения плотно­ сти тока может отличаться от Гауссовой. Причины отклонения распре­ деления от Гауссовой кривой лежат в неравномерности распределения плотности тока эмиссии на катоде и в погрешностях создания изобра­ жения иммерсионной системой. В этой связи существенно влияние деформации поверхности катода, неравномерности его нагрева, иска­ жения центровки оптической системы.

Для большинства процессов требуются фокусные пятна весьма малых размеров с высокими плотностями тока, которые превосходят плотность тока, развиваемую катодами.

Другим требованием к генератору пучка электронов является возможность в широких пределах управлять током пучка. Если катод генератора работает в режиме насыщения, то, как вытекает из уравне­ ния (1.1), управлять током пучка можно, изменяя температуру катода. Такой принцип управления реализован в диодной (двухэлектродной) пушке. Этот путь предъявляет жесткие требования к системе регулиро­ вания температуры катода, обладающей достаточно высокой инерци­ онностью, которая, в зависимости от конструкции катодного узла, мо­ жет достигать нескольких секунд. Достоинством указанного метода управления током пучка является неизменность его диаметра, так как величина эмитирующей поверхности катода остается неизменной.

Изменение мощности пучка электронов за счет изменения уско­ ряющего напряжения не находит использования, поскольку при этом необходимо соответствующим образом изменять ток электромагнитной фокусирующей линзы для стабилизации положения фокуса. Поэтому наибольшее применение получили трехэлектродные генераторы, в которых ток пучка регулируют изменением напряжения управляющего электрода относительно катода при неизменном ускоряющем напряже­ нии. Если потенциал управляющего электрода относительно катода отрицателен и достаточно высок, то ток пучка равен нулю. С повыше­ нием потенциала управляющего электрода эмиссия электронов вначале происходит с небольшого центрального участка поверхности катода. С ростом потенциала возрастает и размер этого участка.

Ток пучка I можно выразить через напряжение на управляющем

Коэффициент G учитывает форму электродов и плотность тока эмиссии.

Принцип регулирования тока электронного пучка указывает на

связь величины тока пучка с площадью эмитирующей поверхности катода. Кроме того, поскольку управляющий электрод обладает еще и фокусирующими свойствами, то при изменении тока изменяются усло­ вия формирования пучка и его эффективный диаметр. Практика пока­ зывает, что при изменении тока пучка с 5 до 300 мА эффективный диа­ метр пучка увеличивается с 0,2 до 0,8 мм. В этом заключается один из основных недостатков рассмотренного метода управления током пучка. При электронно-лучевой обработке материалов происходит интенсив­ ное запыление катода, приводящее к изменению эмиссионных свойств, что может привести к изменению тока электронного пучка. Поэтому в сварочных установках обычно применяют системы стабилизации тока пучка. Стабилизация тока за счет изменения напряжения на управляю­ щем электроде приводит к нестабильности эффективного диаметра электронного пучка, являющегося одним из важнейших параметров технологического процесса. Вместе с изменением эффективного диа­ метра пучка происходит изменение положения фокуса, приводящее к нестабильности параметров процесса и снижению качества сварки, обработки.

Для фокусировки пучка электронов на поверхности обрабатывае­ мого изделия используют тонкие электромагнитные линзы, длины кото­ рых существенно меньше диаметра. Такие линзы создают осесиммет­ ричные магнитные поля. Фокусирующие элементы, не обладающие осе­ вой симметрией (например, квадрупольные элементы) служат для кор­ рекции поперечного сечения пучка. В простейшем случае магнитные линзы представляют собой бронированные катушки [165]. Магнитная индукция таких катушек пропорциональна магнитодвижущей силе /к • WK. Существуют магнитные линзы без магнитопровода. Фокусное расстояние в таких магнитных линзах рассчитывается по формуле

где B(z) - значение магнитной индукции по оси линзы; те - масса элек­ трона; е -заряд электрона; U- ускоряющее напряжение.

На практике при расчетах фокусного расстояния используют

где Ur- ускоряющее напряжение с релятивистской поправкой,