DE2723934C2 - Kathodenblock für eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kathodenblock für eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine, der eine Scheibenkathode, die in einem becherartigen Teil eines Trägers befestigt ist, sowie eine in der Stromzuführung in der Nähe der Scheibenkathode angeordnete Heizkathode umfaßt, bei der der becherartige Teil des Trägers eine zentrale öffnung in seinem Boden aufweist, auf welchem die Scheibenkathode, die öffnung überdekkend, angeordnet ist.

In den Kathodenblöcken von Elektronenstrahl-Schweißmaschinen werden derzeit überwiegend Glühkathoden und insbesondere Kathoden verwendet, die durch Eelektronenbeschuß mit Hilfe direkt geheizter Vorwärmer geheizt werden.

Infolge der spezifischen Arbeitsbedingungen, nämlich der Einwirkung des Dampfflusses des Schweißmaterials, die von einem Ionenbeschuß begleitet wird, weisen die Glühkathoden leistungsstarker Elektronenstrahl-Schweißmaschinen und auch Kathoden, die durch Elektronenbeschuß geheizt werden, nur eine kurze Betriebszeit auf, während der die Änderungen in der Geometrie der Elektronenoptik und der Emissionskennlinien der Kathode in den für die konkreten technologischen Aufgaben zulässigen Grenzen bleiben. Deshalb ist es zweckmäßig, auseinandernehmbare Kathodenblöcke für die Elektronenstrahl-Schweißmaschinen zu verwenden, die einen schnellen Ersatz der Kathode unter Wiederherstellung der Ausgangsgeometrie der Elektronenoptik gewährleisten.

Außerdem ist zu beachten, daß in einer Elektronenstrahl-Schweißausrüstung, die für eine Kleinserienproduktion bestimmt ist, gewöhnlich keine Reservehaltung für die Elektronenstrahl-Schweißmaschinen und auch für die Kathoden vorgenommen wird, so daß ein schneller Ersatz der Kathode zu einer Herabsetzung der Betriebsunterbrechungen dieser Ausrüstung führt.

Bei der Auslegung der Elektronenstrahl-Schweißmaschinen ist eine fortdauernde Tendenz zur Leistungssteigerung festzustellen, die sich hauptsächlich durch eine Reihe von Anforderungen begründen läßt, nämlich durch eine steigende Dicke des Schweißmaterials, eine erhöhte Schweißgeschwindigkeit u. a.

Es sind zwei prinzipielle Entwicklungsrichtungen hinsichtlich der konstruktiven Ausgestaltung zu erwähnen, nämlich:

1. Leistungsstarke Elektronenstrahl-Schweißmaschinen, die hohe Beschleunigungsspannungen von 150, 200 kV und darüber und mäßige Stromstärken für den Elektronenstrahl verwenden, und

2. Leistungsstarke Elektronenstrahl-Schweißmaschinen, die eine hohe Stromstärke bis 1 A und darüber

ίο für den Elektronenstrahl und eine geringe bzw. mäßige Beschleunigungsspannung von 25 bis 50 kV verwenden.

Der ersten dieser beiden Entwicklungsrichtungen stehen bei industriell eingesetzten Elektroncnstrahl-Schweißmaschinen infolge der hohen Anforderungen nach einem zuverlässigen Schutz des Bedienungspersonals gegen eine Röntgenbestrahlung erhebliche Schwierigkeiten im Wege.

Das Problem der Gewährleistung eines zuverlässigen Strahlenschutzes des Bedienungspersonals bei der Verwendung leistungsstarker Elektronenstrahl-Schweißmaschinen gemäß der zweiten Entwicklungsrichtung kann leichter gelöst werden. Infolge dessen ist eine größere Zahl industrieller Elektronenstrahl-Schweißanlagen eingesetzt, in welchen eine geringe bzw. mäßige Beschleunigungsspannung benutzt wird. Die konstruktive Ausgestaltung leistungsstarker elektronenstrahl-Schweißmaschinen stieß jedoch auf Schwierigkeiten hinsichtlich der Konstruktion effektiver, wirtschaftlicher und betriebssicherer Kathodenblöcke, die einen zuverlässigen Betrieb und eine Wiederherstellung der Ausgangsparameter gewährleisten.

Bei der Entwicklung der Kathodenblöcke für Elektronenstrahl-Schweißmaschinen kann ein Übergehen zu indirekt geheizten Kathoden festgestellt werden, obwohl auch noch Kathodenblöcke mit direkt geheizten Kathoden verwendet werden.

Bei dem eingangs genannten Kathodenblock (FR-PS 15 22 349) liegt die Kathodenscheibe sowohl am Boden des becherartigen Teils des Kathodenträgers an als auch an dessen Innenseiten an. Dies führt zu einer starken Wärmeabfuhr zum Träger, so daß für die Beheizung der Kathode ein hoher Leistungsbedarf erforderlich ist.

Es ist beispielsweise ein Kathodenblock für eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine bekannt (Katalog der Firma »Sciaky«; »Machines ä souder par faisceau d'Electrons avec chambres a vide local« Nr. 5, 1975), dessen direkt geheizte Kathode aus Tental, entsprechend gestanzt, ausgebildet ist. Der hohe Leistungsbedarf zum Heizen einer derartigen Kathode sowie die schwierige Wärmeableitung aus dem Vakuum der Elektronenstrahl-Schweißanlage läßt die Verwendung dieses Kathodenblockes bei der vorliegenden Tendenz eines weiteren Leistungsanstiegs der Elektronenstrahl-Schweißmaschinen in der Zukunft fraglich erscheinen. Bekannt ist ferner ein Kathodenblock für eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine mit einer scheibenförmigen Metallkathode (»Soudage et techniques connexes« Nr. 9—10 vom September-Oktober 1976, S. 351—359, Abhandlung von G. Sayegh), die durch Elektronenbeschuß geheizt wird und mit einer ringförmigen Aussparung im Kathodenkörper zum Befestigen derselben in einem Träger ausgebildet ist.

Für diese Kathode ist jedoch eine hohe Heizleistung infolge der großen Wärmeabfuhr vom Kathodenkörper zum Träger erforderlich. Bei einer Emissionsfläche von

etwa 5 mm Durchmesser beträgt die erforderliche Heizleistung ungefähr 1400 W. Darüber hinaus sind bei einer derartigen Befestigung der Kathode räumliche Lageänderungen der Emissionsfläche während des Betriebs nicht ausgeschlossen, was die; Qualität der Elektronenoptik beeinträchtigen kann.

Bekannt ist darüber hinaus ein Kathodenblock für eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine mit einer metallischen abgestuften Bolzenkathode (Zeitschrift — »ZIS-Mitteilungen«, 1/74, S. 35-41, P. Wiesner, »Erfahrur-gen beim Einsatz des Elektronenstrahlschweißens in der Serienprodukxion«, DDR), die durch Elektronenbeschuß mit Hilfe einer Spirale geheizt wird, welche den an die Esnissionsstirnfläche anliegenden Teil dieses Bolzens umfaßt Dieser Kathodenblock weist jedoch ebenfalls Mangel auf. Er besitzt eine beschränkte Stromstärke hinsichtlich des Elektronenstrahls (es wurden Kathoden für Stromstärken bis höchstens 400 mA hergestellt) infolge des kleinen Durchmessers der Emissionsfläche von 3 mm der Kathode. Der schmale Hals der metallischen abgestuften Bolzenkathode, der zum Verringern der Wärmeabfuhr erforderlich ist, kann eine Verformung der Kathode bei einer ungleichmäßigen Heizung durch den Elektronenbeschuß, die regelmäßig stattfindet, bedingen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kathodenblock der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß dieser bei der Möglichkeit einer mehrfachen Verwendung des Kathodenträgers eine Erhöhung der Stabilität und eine Reproduzierbarkeit der Geometrie der Elektronenoptik des Kathodenblocks im Betrieb, und infolge geringerer Heizleistung eine höhere Wirtschaftlichkeit der durch den Elektronenbeschuß geheizten Kathode aufgrund einer entsprechenden Konstruktion des Kathodenträgers gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Der erfindungsgemäße Kathodenblock für eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine zeichnet sich durch seine hohe Wirtschaftlichkeit aus, da die Wärmeabfuhr von der Scheibenkathode zum Kathodenträger begrenzt ist Das wird dadurch erreicht, daß die Scheibenkathode im becherartigen Teil des Trägers mit diesem einen Umfangsspalt bildet und dadurch die Kathodenscheibe nur am Boden des Trägers aufliegt. Dabei ist die Kontaktfläche der Scheibenkathode mit dem Boden des becherartigen Teils des Trägers klein. Auch die Andrückkraft der Scheibenkathode an den Boden des becherartigen Teils des Trägers durch den geschlitzten Ring ist klein, reicht aber völlig aus, um die Scheibenkathode in dieser Stellung während des Betriebs der Elektronenstrahl-Schweißmaschine sicher zu halten.

Die starre Bauweise des Trägers des vorgeschlagenen Kathodenblocks, der aus einem schwerschmelzenden Metall ausgebildet ist, und das Vermeiden einer starren Verbindung desselben mit der Scheibenkathode, die bei einem Einpressen der Kathode in den Träger entsteht, bietet die Möglichkeit, den Träger mehrfach zu verwenden, wobei gleiche Werte hinsichtlich der Geometrie der Elektronenoptik erhalten bleiben.

Die einfache Konstruktion des erfindungsgemäßen Kathodenträgers und des geschlitzten Rings gewährlei- b*> sten geringe Herstellungskosten dieser Teile und einen einfachen Ersatz der im Laufe des Betriebs unbrauchbar werdenden ScheibenkathoJe durch eine neue Kathode.

Nachstehend wird ein Auüführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Kathodenblock einer Elektronenstrahl-Schweißmaschine im Längsschnitt,

Fig.2 einen in eine Trägerhülse einzusetzenden geschlitzten Ring, und

F i g. 3 eine andere mögliche Anordnung des Trägers in der Stromzuführung der Kathode.

Der Kathodenblock einer Elektronenstrahl-Schweißmaschine umfaßt eine Scheibenkathode 1 (F i g. 1), z. B. aus Lanthanhexaborid LaB₆ oder aus Tantal, die mit Umfangsspiel in einem becherartigen Teil eines Trägers 2 angeordnet ist Der becherartige Teil des Trägers 2 ist aus schwerschmelzendem Material mit geringer Emissionsfähigkeit z. B. Molybdän hergestellt, und weist eine zentrale öffnung 3 im Boden 4 auf. Der Durchmesser der zentralen Öffnung 3 bestimmt die Größe der Emissionsfläche der Scheibenkathode 1. Um verschiedene Werte des Strombereichs des Elektronenstrahls zu erhalten, ist der Kathodenblock einer Elektronenstrahl-Schweißmaschine mit zwei bzw. drei Kathodenträgern 2 mit zentralen öffnungen 3 mit verschiedenen Durchmessern ausgerüstet

An der Innenfläche des becherartigen Teils der Träger 2 ist eine kegelige Aussparung 5 vorgesehen, die sich in Richtung zur Scheibenkathode 1 hin erweitert, in welche ein geschlitzter Ring 6 (Fig. 1 und 2) aus schwerschmelzendem Material, Wolfram oder Molybdän, eingesetzt wird. Mit Hilfe des Schlitzrings 6 wird ein gleichmäßiges Andrücken der Scheibenkathode 1 an den Boden 4 (Fig. 1) des becherartigen Teils des Trägers 2 erreicht

Die bei der Herstellung des Trägers 2 erreichte Parallelität der Anlagefläche des Trägers 2 an der Lagerstelle 7 (Fig. 1) in der Stromzuführung 8 der Kathode und der Fläche des Bodens 4 des becherartigen Teils des Trägers 2, an welche die Scheibenkathode 1 angedrückt wird, sowie der koaxiale Verlauf des Lagerrandes 9 des Trägers 2, welcher den Träger 2 in der Lagerstelle 7 der Stromzuführung 8 der Kathode zentriert, mit der Achse der Zentralöffnung 3 im Boden 4 des becherartigen Teils des Trägers 2 bleiben im Laufe des Betriebs des Kathodenblocks der Elektronenstrahl-Schweißmaschine unverändert, wodurch die Geometrie der Elektronenoptik des Kathodenblocks der Elektronenstrahl-Schweißmaschine sowohl im Betrieb als auch beim Ersatz der unbrauchbar gewordenen Scheibenkathode 1 durch eine neue exakt beibehalten wird.

Der Träger 2, welcher in der aus nichtrostendem Stahl hergestellten Stromzuführung 8 der Kathode mit Passung eingesetzt wird, wird an die Lagerstelle 7 der Stromzuführung 8 der Kathode mit Hilfe eines geschlitzten Rings 10 aus schwerschmelzendem Material, z. B. Wolfram oder Molybdän, angedrückt, der in eine innere Kegelaussparung 11 der Stromzuführung 8 der Kathode eingesetzt ist.

Die Schlitzringe 6 und 10 gewährleisten eine störungsfreie Arbeit des Kathodenblocks der Elektronenstrahl-Schweißmaschine in einer beliebigen räumlichen Lage. Während aes Betriebs des Kathodenblocks wird das Material der Schlitzringe 6 und 10 infolge Erwärmung spröde. Darum werden beim Ersatz der Scheibenkathode 1 auch die Schlitzringe 6 und 10 durch neue ersetzt.

Aufgrund der überaus einfachen Form der Schlitzringe 6 und 10 bietet ihre Herstellung und ihr Ersatz praktisch keine Schwierigkeiten.

Es ist auch eine andere Anordnung des Trägers 2 mit Passung in der Stromzuführung 8 der Kathode (F i g. 3) möglich. Aus F i g. 3 ist zu ersehen, daß der Träger 2 in der Lagerstelle 7 der Stromzuführung 8 der Kathode mit Hilfe einer Überwurfmutter 12 angeordnet ist, die z. B. aus nicht-ostendem Stahl besteht. Um ein Sintern der Gewindeflächen der Überwurfmutter 12 und der Stromzuführung 8 der Kathode zu vermeiden, wird diese dünn mit Graphit bestrichen.

Die Betriebsweise des beschriebenen Kathodenblocks für eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine (Fig. 1)ist wie folgt:

Mit Hilfe einer Heizkathode 13 wird die Scheibenkathode 1 erwärmt. Der durch die Scheibenkathode 1 emittierte Elektronenstrahl 14, der durch die zentrale öffnung 3 im Boden 4 des becherartigen Teils des Trägers 2 begrenzt ist, wird mit Hilfe einer neben der Kathode liegenden Elektrode 15 und einer Anode 16 gesteuert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Kathodenblock für eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine, der eine Scheibenkathode, die in einem becherartigen Teil eines Trägers befestigt ist, sowie eine in der Stromzuführung in der Nähe der Scheibenkathode angeordnete Keizkathode umfaßt, bei der der becherartige Teil des Trägers eine zentrale öffnung in seinem Boden aufweist, auf welchem die Scheibenkathode die öffnung überdekkend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenfläche des becherartigen Teils des Trägers (2) eine kegelartige Aussparung (5) ausgebildet ist, die sich in Richtung zur Scheibenkathode (1) erweitert und in welcher ein geschlitzter Ring (6) aus schwerschmelzendem Material zum Andrücken der mit Umfangsspiel im becherartigen Teil des Trägers (2) angeordneten Scheibenkathode (1) an seinen Boden (4) angeordnet ist