DE2723891C3

DE2723891C3 - Katodenblock für eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine

Info

Publication number: DE2723891C3
Application number: DE19772723891
Authority: DE
Inventors: Evgenyij Ivanovič Istomin; Aleksei Pavlovič Obolonsky; Leonid Pavlovič Strekal; Boris Denisovič Kiev Vaskin
Original assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Current assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Priority date: 1977-05-26
Filing date: 1977-05-26
Publication date: 1981-09-03
Also published as: DE2723891B2; DE2723891A1

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Katodenblock für eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine, der eine Scheibenkatode, die in einem becherartigen Träger befestigt ist, und eine von ihren Stromzuführungen ■«· gehalterte als flache Spirale ausgebildete Heizwicklung umfaßt, bei dem die mit dem zentralen Ende der Spirale verbundene Stromzuführung stabförmig und die mit dem Außenrand der Spirale verbundene Stromzuführung ein Rohr ist.

In den Katodenblöcken der Elektronenstrahl-Schweißmaschine werden derzeit Glühkatoden oder insbesondere Katoden verwendet, die durch Elektronenbeschuß geheizt werden. Als Glühkatoden werden meistens Scheibenkatoden aus Lanthanhexaborid ·»" (LaB₆) oder aus Tantal eingesetzt, während das Heizen der Katoden durch Elektronenbeschuß gewöhnlich mit Hilfe einer direkt beheizten Wicklung aus Wolram erfolgt, die in entsprechenden Stromzuführungen befestigt ist.

Die Verwendung einer direkt beheizten Wicklung aus Tantal erscheint unzweckmäßig, da das Tantal derzeit sehr teuer ist, nämlich teuerer als Platin, während die Emissionskonstanten von Wolfram und Tantal sich nur wenig unterscheiden.

Die Betriebsbedingungen der Elektronenstrahl-Schweißmaschinen, nämlich der Dampffluß des Schweißmaterials, der intensive Ionenbeschuß, die Gegenwart von Luft in der Schweißkammer usw. beschränken die Lebensdauer der Katoden und Heizkörper und ergeben die Notwendigkeit der Schaffung auseinandernehmbarer Konstruktionen für die Katodenblöcke.

Die Zuverlässigkeit einer direkt beheizten Wicklung während der angesetzten Zeitdauer, durch welche der Elektronenbeschuß der Scheibenelektrode des Katodenblocks erfolgt, wird sowohl durch die Konstruktion der Wicklung als auch durch deren Befestigungsart an den Stromzuführungen bestimmt.

Außerdem ist zu beachten, daß in der Elektronen- <>⁵ strahl-Schweißausrüstung, die für eine Kleinserienproduktion bestimmt ist, gewöhnlich keine Reservehaltung hinsichtlich der Katoden und der Heizkörper vorgenommen wird, so daß ein schneller Ersatz der Katode bzw. des Heizkörpers durch einen neuen zu einer Herabsetzung der Stillstandzeiten der Geräte führt

Es ist ein Katodenblock für eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine der eingangs genannten Art bekannt (SU-PS 1 77 261). Die Drahtwicklung dieses bekannten Katodenblocks ist aus Wolfram und in Form einer flachen archimedischen Spirale aussgebildet, die an ihren Enden in zwei zylindrische Spiralen, nämlich eine äußere und eine innere, übergeht, welche an einer Seite der Fläche der Spirale angeordnet und zum Befestigen an den entsprechenden Stromzuführungen bestimmt sind.

Die Stromzuführung zum Befestigen des inneren Zylinderteils der Spirale der Heizwicklung ist beim bekannten Katodenblock in Form eines dünnen Stabs aus schwerschmelzendem Material, beispielsweise Molybdän, mit einem Schraubengewinde an dessen Ende ausgebildet, dessen Steigung der des inneren zylindrischen Teils der Spirale entspricht

Zum Befestigen des äußeren Zylinderteils der Heizspirale ist die äußere Stromzuführung des bekannten Katodenblocks in Form eines Rohrs mit einem Gewindeabschnitt ausgeführt.

Der bekannte Katodenblock weist folgende Mängel auf. Die Form der Heizspirale ist kompliziert, wodurch ihre Herstellung wesentlich erschwert ist. Der Betrieb der Stromzuführungen ist unsicher, insbesondere hinsichtlich der Stromzuführung zum Befestigen des inneren Zylinderteils der Spirale. Um die Arbeitsnutzfläche der Spirale nicht zu verringern, muß nämlich die Stromzuführung zum Befestigen des inneren Teils der Spirale dünnwandig ausgeführt sein und ein Schraubengewinde haben, wodurch infolge der hohen Arbeitstemperatur von 2600 bis 2700° K der Spirale die Stromzuführung schnell unbrauchbar wird. Der Ersatz einer durchgebrannten Spirale durch eine neue dauert lange, da die Reste der durchgebrannten Spirale entfernt werden müssen. Es ist eine vorsichtige Behandlung der dünnwandigen zentralen Stromzuführung erforderlich und der Ersatzvorgang aufgrund der Form der Heizspirale kompliziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Katodenblock für eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine hohe Betriebssicherheit der Stromzuführungen, eine einfach herstellbare Form der Heizspirale und eine kurze Auswechselzeit einer unbrauchbar gewordenen Heizspirale durch eine neue gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs angegebene Erfindung gelöst.

Der vorgeschlagene Katodenblock zeichnet sich durch eine einfache Konstruktion des Heizkörpers, der unkompliziert hergestellt werden kann. Das Winden der flachen Spirale des Heizkörpers mit dem senkrecht abgebogenen, zentralen Ende kann mit Hilfe einfacher Vorrichtungen auf einer beliebigen Drehbank, einer Bohrmaschine u.dgl. mit einer guten Reproduzierbarkeit der geometrischen Maße ausgeführt werden, wobei die wellenförmigen Biegungen des zentralen, vertikal gebogenen Spiralendes, wodurch dieses Ende durch seine Elastizität und die Reibungskraft im Betrieb in der als Stab mit einer längs der Stabachse ausgebildeten, abgestuften Durchgangsöffnung hergestellten Stromzuführung gehalten wird, von Hand vor dem Einsetzen der Heizspirale in den Katodenblock, ausgebildet werden können.

Die Stromzuführungen der Heizspirale des erfin-

dungsgemäßen Katodenblocks zeichnen sich durch ihre einfache Konstruktion und leichte Herstellbarkeit aus. Das Fehlen von Klemm- oder Gewindeelementen u. dgl. an den Stromzuführungen zum Befestigen der Heizspirale gewährleistet eine lange Lebensdauer und Betriebssicherheit

Der Ersatz einer durchgebrannten Heizspirale ist einfach und nimmt wenig Zeit in Anspruch.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die z.eichnungen ιυ näher erläutert, wobei zeigt

F i g. 1 den Katodenblock einer Elektronenstrahl-Schweißmaschine gemäß dem Ausführungsbeispiel im Längsschnitt,

F i g. 2 eine Draufsicht auf eine Heizspirale, und F j g. 3 eine Seilenansicht der Heizspirale.

Der Katodenblock umfaßt eine Scheibenkatode 1 (F i g. 1) aus Lathanhexaborid (LaBö) oder Tantal, die mit einem Umfangsspiel im becherartigen Teil eines Trägers 2 angeordnet ist. Der bechera.lige Teil des Trägers 2 besteht aus schwerschmelzendem Material mit geringer Emissionsfähigkeit, z. B. Molybdän.

Der Träger 2 weist eine zentrale öffnung 3 im Boden 4 des becherartigen Teils auf. Der Durchmesser der Zentralöffnung 3 bestimmt die Größe der Emissionsfläehe der Scheibenkatode 1. Um verschiedene Werte der Strombereiche des Elektronenstrahls zu erhalten, wird jeder Katodenblock mit zwei oder drei Trägern 2 mit Zentralöffnungen mit verschiedenen Durchmessern versehen. An der Innenfläche des becherartigen Teils jo des Trägers 2 ist eine kegelartige Aussparung 5 ausgebildet, die sich in Richtung zur Scheibenkatode 1 erweitert und zum Einsetzen eines geschlitzten Rings 6 aus schwerschmelzendem Material, beispielsweise Wolfram oder Molybdän, dient. Mit Hilfe des Schlitzrings 6 v> wird die Scheibenkatode 1 an den Boden 4 des becherartigen Teils des Trägers 2 gleichmäßig angedrückt.

Die bei der Herstellung des Trägers 2 erreichte Parallelität der Anlagefläche des Trägers 2 an die Lagerstelle 7 in einer Stromzuführung 8 der Katode zur Fläche des Bodens 4 des becherartigen Teils des Trägers 2, an welche die Scheibenkatode 1 angedrückt wird, sowie der koaxiale Verlauf des Lagerrandes 9 des Trägers 2, welche den Träger 2 in der Lagerstelle 7 der « Stromzuführung 8 der Katode zentriert mit der Achse der Zentralöffnung 3 im Boden 4 des becherartigen Teils des Trägers 2, bleiben im Laufe des Betriebs des Katodenblocks unverändert, wodurch die Geometrie der Elektronenoptik des Katodenblocks sowohl im Betrieb als auch beim Ersatz der unbrauchbar gewordenen Scheibenkatode 1 durch eine neue beibehalten wird.

Der Träger 2, welcher mit Passung in der aus nichtrostendem Stahl ausgeführten rohrförmigen Stromzuführung 8 der Katode angeordnet ist, wird an die Lagerstelle 7 der Stromzuführung 8 der Katode mit Hilfe eines geschlitzten Rings 10 aus schwerschmelzendem Material, beispielsweise Wolfram oder Molybdän angedrückt. Der Schlitzring 10 wird dazu in eine innere &o kegelförmige Aussparung 11 der Stromzuführung 8 der Katode eingesetzt.

Die Schlitzringe 6 und 10 gewährleisten einen störungsfreien Beitrieb des Katodenblocks in jeder beliebigen räumlichen Stellung. *>5

Im Innern der Stromzuführung 8 der Katode und koaxial zu dieser ist eine rohrförmige Stromzuführung 12 aus z. B. Molybdän angeordnet, an deren dem Träger 2 zugewandten Ende eine ringförmige Aussparung 13 ausgebildet ist Im Innern der Stromzuführung 12 und koaxial zu dieser ist eine Stromzuführung 14 eingesetzt, die beispielsweise aus Molybdän hergestellt ist Die Stromzuführung 14 stellt einen hohlen Stab dar, dessen Durchgangsöffnung abgestuft ist und einen Kanal 15 mit kleinerem Durchmesser und einen Kanal 16 mit größerem Durchmesser bildet wobei der Kanal 15 dem Träger 2 benachbart liegt

Eine zum Heizen der Scheibenkatode 1 bestimmte Wicklung ist als flache Spirale 17 (Fig. 1 und 2) mit einem senkrecht zu ihrer Fläche angebogenen, zentralen wellenförmigen Ende 18 (F i g. 1 und 3) aus einem für diesen Zweck entsprechenden Material, beispielsweise Wolfram, ausgebildet.

Das zentrale, wellenförmig gebogene Ende 18 der flachen Spirale 17 (F i g. 1) ist in den Kanal 15 des hohlen Stabs der Stromzuführung 14 eingesetzt, während die Außenwindung 19 (F ig. 2) der flachen Spirale 17 unter Erzeugung des erforderlichen elektrischen Kontakts in die innere ringförmige Aussparung 13 (F i g. 1) air. Ende der Stromzuführung 12 eingesetzt ist.

Der Ersatz einer durchgebrannten Heizspirale 17 durch eine neue wird folgendermaßen durchgeführt.

Durch Abnehmen der Stromzuführung 8 der Katode mit dem darauf angeordneten Katodenträger 2 werden die Stromzuführungen 14 und 12 zugänglich. Mit einem scharfen Werkzeug, beispielsweise einem Skalpell, werden aus der ringförmigen Aussparung 13 eventuelle Reste der durchgebrannten Spirale entfernt. Falls das Ende 18 der durchgebrannten Spirale 17 noch aus dem Kanal 15 der Stromzuführung 14 herausragt wird es mit einem Werkzeug, z. B. einer Pinzette, herausgezogen. Falls das Ende 18 der durchgebrannten Spirale 17 nicht mehr aus dem Kanal 15 der Stromzuführung 14 herausragt, wird es einfach durch den Kanal 15 in den folgenden weiteren Kanal 16 der Stromzuführung 14 mit Hilfe des wellenförmig ausgebogenen Zentralendes 18 der neu anzuordnenden Heizspirale 17 durchgestoßen. Dieser Vorgang fordert keinen zusätzlichen Zeitaufwand. Demnach dient der weitere Kanal 16 der hohlen Stromzuführung 14 als Behälter für die Drahtreste der Enden 18 von durchgebrannten Spiralen. Von Zeit zu Zeit, gewöhnlich nach Ersatz einiger Dutzend durchgebrannter Heizspiralen, wird die Stromzuführung 14 abgenommen, um die angehäuften Drahtreste zu entfernen, wonach die Stromzuführung 14 wieder eingesetzt wird.

Die Außenwindung 19 (F i g. 3) der neuanzuordnenden Heizspirale 17 wird in die ringförmige Aussparung 13 (Fig. 1) beispielsweise mit Hilfe eines Skalpells eingesetzt.

Der Betrieb des Katodenblocks verläuft wie folgt

Durch den Heizstrom wird die Spirale 17 bis auf eine Arbeitstemperatur von etwa 2500—2600⁰K erhitzt bei welcher die von der Oberfläche der flachen Spirale 17 emittierten und durch das Feld der Beschleunigungsspannung einer Gleichstromquelle von etwa 800—1000 V, deren Pluspol an die Scheibenkatode 1 angelegt und deren Minuspol mit der Spirale 17 verbunden ist, beschleunigten Elektronen die Oberfläche der Scheibenkatode 1 beschießen und diese auf die erforderliche Arbeitstemperatur erhitzen.

Der durch die Scheibenkatode 1 emittierte und durch die Zentralöffnung 3 im Boden 4 des Trägers 2 begrenzte Elektronenstrahl 20 wird mit Hilfe einer Katodennebenelektrode 21 und einer Anode 22 gebündelt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Katodenblock für eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine, der eine Scheibenkatode, die in einem becherartigen Träger befestigt ist, und eine von in ihren Stromzuführungen gehalterte als flache Spirale ausgebildete Heizwicklung umfaßt, bei dem die mit dem zentralen Ende der Spirale verbundene Stromzuführung stabförmig und die mit dem Außenrand der Spirale verbundene Stromzuführung ein Rohr ist, dadurch gekennzeichnet, daß die flache Spirale (17) der Heizwicklung mit einem senkrecht zu ihrer Fläche abgebogenen, zentralen Ende (18) ausgebildet ist, das in seiner Axialrichtung wellenförmig gebogen ist, daß die stabförmige Stromzuführung (14) einen längs der Stabachse abgestuften Hohlraum aufweist, in dessen Teil mit geringerem Durchmesser das senkrecht zur Fläche der Spirale (17) abgebogene Ende (18) eingesetzt ist, und daß die als Rohr ausgebildete Stromzuführung (12) eine innere ringförmige Aussparung (13) an dessen Ende aufweist, in welche die Außenwindung (19) der Spirale (17) eingesetzt ist.