RU2238179C2

RU2238179C2 - Electron beam welding apparatus

Info

Publication number: RU2238179C2
Application number: RU2002132673/02A
Authority: RU
Inventors: В.Т. Доронин (RU); В.Т. Доронин
Original assignee: Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова
Priority date: 2002-12-04
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2004-10-20

Abstract

FIELD: electron-beam fusion welding of refractory and fire resistant materials, possibly in different branches of industry.

SUBSTANCE: cathode is placed inside near-cathode electrode. Cathode and accelerating anode with opening are connected with high voltage DC source. Magnetic lens is formed by main electrically conducting flared portion and coaxial relative to it additional electrically conducting flared portions. Main and additional flared portions are narrowed along arcs of electron orbits and they are combined one with another in wide part of each flared portion; cross sections of flared portions are reduced in direction from common combined zone to opposite end of each flared portion. Each flared portion has lengthwise slit.

EFFECT: simultaneous welding of several articles due to using several electron beams formed from one beam, enhanced efficiency.

2 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, в котором электроны предварительно приобретают высокую энергию. Устройство содержит катод, размещенный внутри прикатодного электрода, ускоряющий анод с отверстием, высоковольтный источник постоянного тока, магнитную линзу, размещающуюся между ускоряющим анодом и изделием, и магнитную отклоняющую систему. Магнитная линза и магнитная отклоняющая система выполнены в виде многовитковых катушек из изолированного провода. Выходящие из катода электроны фокусируются с помощью электрического поля между прикатодным электродом и ускоряющим анодом в луч с диаметром, 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 магнитной линзе. 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. Сварка, резка, пайка металлов. М.: Аделант Арфа СВ, 1999, 192 с., с.73-75 ].A device for electron beam welding is known, in which the electrons first acquire high energy. The device comprises a cathode located inside the cathode electrode, an accelerating anode with a hole, a high-voltage direct current source, a magnetic lens located between the accelerating anode and the product, and a magnetic deflecting system. The magnetic lens and magnetic deflecting system are made in the form of multi-turn coils from an insulated wire. The electrons emerging from the cathode are focused using an electric field between the cathode electrode and the accelerating anode into a beam with a diameter 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 the magnetic field in the magnetic lens. 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 is placed in the path of the electrons, allowing the beam to be installed exactly along the welding line [see Welding, cutting, soldering metals. M .: Adelant Arfa SV, 1999, 192 p., Pp. 73-75].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к заявляемому изобретению является устройство для электронно-лучевой сварки, содержащее катод, размещенный внутри прикатодного электрода, ускоряющий анод с отверстием, высоковольтный источник постоянного тока и токопроводящий раструб, образующий магнитную линзу, сужающийся по дугам орбит электронов, снабженный продольной щелевой прорезью, с широкой частью, размещающейся у ускоряющего анода, и узкой частью, размещающейся у изделия [патент Российской Федерации на изобретение №2186665, МПК 7 В 23 К 15/00, Н 01 J 37/14].The closest in technical essence and the achieved result (prototype) to the claimed invention is a device for electron beam welding, containing a cathode located inside the cathode electrode, accelerating the anode with a hole, a high-voltage direct current source and a conductive socket that forms a magnetic lens, tapering along arcs orbits of electrons, equipped with a longitudinal slit slot, with a wide part located at the accelerating anode and a narrow part located at the product [Russian Federation patent of the patent for invention No. 2186665, IPC 7 V 23 K 15/00, H 01 J 37/14].

Общим недостатком описанных устройств является отсутствие возможности одновременной сварки нескольких изделий и невысокая производительность труда вследствие наличия одного электронного неразделяемого луча.A common disadvantage of the described devices is the lack of the possibility of simultaneous welding of several products and low labor productivity due to the presence of one electronic inseparable beam.

Сущность изобретения состоит в том, что устройство для электронно-лучевой сварки, содержащее катод, размещенный внутри прикатодного электрода, ускоряющий анод с отверстием, высоковольтный источник постоянного тока и основной токопроводящий раструб, образующий магнитную линзу, сужающийся по дугам орбит электронов, снабженный продольной щелевой прорезью, с широкой частью, размещающейся у ускоряющего анода, и узкой частью, размещающейся у изделия, оснащено соосными с основным раструбом дополнительными токопроводящими раструбами, сужающимися по дугам орбит электронов, установленными с общим совмещением в широкой части каждого раструба при уменьшении поперечных сечений раструбов от области совмещения раструбов к противоположному концу каждого раструба, при этом дополнительные раструбы, размещающиеся у ускоряющего анода общим совмещением в широкой части каждого раструба и у изделий узкой частью каждого раструба, снабжены продольными щелевыми прорезями, а магнитная линза образована основным раструбом и дополнительными раструбами.The essence of the invention lies in the fact that the device for electron beam welding containing a cathode located inside the cathode electrode, accelerating the anode with a hole, a high-voltage direct current source and a main conductive socket forming a magnetic lens, tapering along the arcs of the orbits of the electrons, equipped with a longitudinal slotted slot , with a wide part located at the accelerating anode and a narrow part located at the product, is equipped with additional conductive sockets coaxial with the main bell, narrowing located along the arcs of the orbits of the electrons, established with common alignment in the wide part of each bell with a decrease in the cross-sections of the bell from the alignment area of the bell to the opposite end of each bell, with additional bells located at the accelerating anode with a common alignment in the wide part of each bell and narrow products part of each bell, equipped with longitudinal slotted slots, and the magnetic lens is formed by the main bell and additional bell.

Техническим результатом является обеспечение возможности одновременной сварки нескольких изделий и повышение производительности труда из-за применения нескольких электронных лучей, полученных из одного электронного луча посредством соосных основного раструба и дополнительных токопроводящих раструбов, установленных с общим совмещением в широкой части каждого раструба при уменьшении поперечных сечений раструбов от области совмещения раструбов у ускоряющего анода к противоположному концу каждого раструба у свариваемых изделий, что позволяет осуществлять сварку изделий у узкой части каждого раструба в зонах пятен нагрева, образованных электронными лучами.The technical result is the possibility of simultaneous welding of several products and increased labor productivity due to the use of several electron beams obtained from a single electron beam through coaxial main bell and additional conductive sockets installed with common alignment in the wide part of each socket with a decrease in the cross-sections of the pipes from areas of combining the sockets at the accelerating anode to the opposite end of each socket in the welded products, that о allows welding of products at a narrow part of each socket in the zones of heating spots formed by electron beams.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид устройства для электронно-лучевой сварки, а на фиг.2 - продольное сечение магнитной фокусирующей линзы.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a General view of a device for electron beam welding, and figure 2 is a longitudinal section of a magnetic focusing lens.

Дополнительно на фиг.1 пунктирными линиями обозначены электронные лучи.Additionally, in figure 1, dotted lines indicate electron beams.

Устройство для электронно-лучевой сварки содержит катод 1, размещенный внутри прикатодного электрода 2, ускоряющий анод 3 с отверстием, высоковольтный источник 4 постоянного тока, магнитную линзу 5, размещающуюся между ускоряющим анодом 3 и изделием. Катод 1 и ускоряющий анод 3 соединены с высоковольтным источником 4 постоянного тока. Магнитная линза 5 образована соосными токопроводящими раструбами 6, 7, 8 с криволинейными образующими, снабженными продольными щелевыми прорезями 9, 10, 11, с общей широкой частью, размещающейся у ускоряющего анода 3, и узкими частями, размещающимися у изделий 12, 13, 14. Раструб 6 принимается за основной раструб, а раструбы 7, 8 принимаются за дополнительные раструбы. Раструбы 6, 7, 8 установлены с общим совмещением в широкой части каждого раструба при уменьшении поперечных сечений раструбов 6, 7, 8 от области совмещения раструбов 6, 7, 8 к противоположному концу каждого раструба.The device for electron beam welding contains a cathode 1 located inside the cathode electrode 2, accelerating the anode 3 with a hole, a high-voltage direct current source 4, a magnetic lens 5, located between the accelerating anode 3 and the product. The cathode 1 and the accelerating anode 3 are connected to a high voltage direct current source 4. The magnetic lens 5 is formed by coaxial conductive sockets 6, 7, 8 with curvilinear generators equipped with longitudinal slotted slots 9, 10, 11, with a common wide part located at the accelerating anode 3, and narrow parts located at the products 12, 13, 14. The bell 6 is taken as the main bell, and the bell 7, 8 are taken as additional bell. The bells 6, 7, 8 are installed with common alignment in the wide part of each bell while reducing the cross-sections of the bells 6, 7, 8 from the alignment area of the bells 6, 7, 8 to the opposite end of each bell.

Вдоль каждого раструба 6, 7, 8 протекает постоянный по направлению электрический ток, формирующий магнитное поле с магнитным барьером вокруг каждого раструба 6, 7, 8 для фокусировки электронов. Магнитным барьером является повышенное значение магнитной индукции вокруг каждого раструба 6, 7, 8 и вдоль каждой щелевой прорези 9, 10, 11. Магнитная линза 5 изготовлена из проводящего электрический ток материала. Каждый раструб 6, 7, 8 имеет переменный по длине диаметр, изменяющийся в соответствии с усредненной орбитой фокусируемой части потока электронов. Раструб 6 и продольная щелевая прорезь 9 в нем обеспечивают высокую фокусировку низкоэнергетических электронов. Раструб 7 и продольная щелевая прорезь 10 в нем обеспечивают высокую фокусировку электронов с промежуточными энергиями. Раструб 8 и продольная щелевая прорезь 11 в нем обеспечивают фокусировку высокоэнергетических электронов. Число раструбов может быть также и меньше трех и больше трех, поскольку определяется необходимым числом электронных лучей для одновременной сварки необходимого количества изделий. Ускоряющий анод 3 установлен около места общего совмещения в широкой части каждого раструба 6, 7, 8 вдоль щелевых прорезей 9, 10, 11. Места расположения свариваемых изделий 12, 13, 14 зависят от расположения пятен нагрева, получаемых от электронных лучей. Свариваемое изделие 12 размещено у узкой части раструба 6. Свариваемое изделие 13 размещено у узкой части раструба 7. Свариваемое изделие 14 размещено у узкой части раструба 8.A constant electric current flows along each socket 6, 7, 8, forming a magnetic field with a magnetic barrier around each socket 6, 7, 8 for focusing electrons. The magnetic barrier is the increased value of the magnetic induction around each socket 6, 7, 8 and along each slotted slot 9, 10, 11. The magnetic lens 5 is made of an electrically conductive material. Each bell 6, 7, 8 has a diameter variable in length, varying in accordance with the averaged orbit of the focused part of the electron flow. The bell 6 and the longitudinal slotted slot 9 in it provide high focusing of low-energy electrons. The bell 7 and the longitudinal slot 10 in it provide a high focusing of electrons with intermediate energies. The bell 8 and the longitudinal slotted slot 11 in it provide focusing of high-energy electrons. The number of sockets can also be less than three and more than three, since it is determined by the required number of electron beams for simultaneous welding of the required number of products. The accelerating anode 3 is installed near the place of common alignment in the wide part of each socket 6, 7, 8 along the slotted slots 9, 10, 11. The locations of the welded products 12, 13, 14 depend on the location of the heating spots obtained from electron beams. The welded product 12 is placed at the narrow part of the socket 6. The welded product 13 is placed at the narrow part of the socket 7. The welded product 14 is placed at the narrow part of the socket 8.

Для формирования магнитного поля с магнитными барьерами необходимо подать электрические токи вдоль раструбов 6, 7, 8 магнитной линзы 5. Положительный электрический потенциал при этом подается на общую широкую часть раструбов 6, 7, 8, где вводятся электроны. Отрицательные потенциалы подаются на узкие концы раструбов 6, 7, 8, из которых вылетают электроны. Распределение индукции по радиусу каждого раструба 6, 7, 8 в зоне фокусировки электронов таково, что получается поле с барьером магнитной индукции. С помощью магнитных барьеров магнитного поля около раструбов 6, 7, 8 вдоль щелевых прорезей 9, 10, 11 осуществляется фокусировка лучей низкоэнергетических с промежуточными энергиями и высокоэнергетических электронов.To form a magnetic field with magnetic barriers, it is necessary to apply electric currents along the sockets 6, 7, 8 of the magnetic lens 5. In this case, a positive electric potential is supplied to the common wide part of the sockets 6, 7, 8, where electrons are introduced. Negative potentials are applied to the narrow ends of the sockets 6, 7, 8, from which electrons fly out. The distribution of induction along the radius of each bell 6, 7, 8 in the electron focusing zone is such that a field with a magnetic induction barrier is obtained. Using magnetic barriers of the magnetic field near the chutes 6, 7, 8, along the slots 9, 10, 11, low-energy rays with intermediate energies and high-energy electrons are focused.

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

Из катода 1 через отверстие прикатодного электрода 2 электроны вытягиваются электрическим полем между катодом 1 и анодом 3 и затем поступают в магнитную линзу 5. В магнитной линзе 5 поток электронов формируется в луч, расщепляется на лучи по энергиям электронов и каждый из лучей фокусируется соответствующим магнитным барьером. Луч низкоэнергетических электронов фокусируется магнитным барьером, расположенным в провале магнитного поля вдоль щелевой прорези 9 раструба 6. Луч электронов с промежуточными энергиями фокусируется магнитным барьером, расположенным в провале магнитного поля вдоль щелевой прорези 10 раструба 7. Луч высокоэнергетических электронов фокусируется магнитным барьером, расположенным в провале магнитного поля вдоль щелевой прорези 11 раструба 8. Электроны подвержены воздействию силы Лоренца и не проходят через магнитный барьер, если скорость электронов недостаточна. Электроны, не пропущенные магнитным барьером, отклоняются магнитным полем на траекторию движения вдоль магнитного барьера. Низкоэнергетические электроны следуют по траектории, которую определяет протяженный магнитный барьер, вдоль щелевой прорези 9 к свариваемому изделию 12. Магнитный барьер, расположенный вдоль широкой части раструба 6, легко держит все низкоэнергетические электроны на орбите. По мере движения вдоль раструба 6 низкоэнергетические электроны попадают в область магнитного поля с большими значениями магнитной индукции и все надежнее удерживаются магнитным барьером. По мере движения вдоль раструба 7 электроны с промежуточными энергиями попадают в область магнитного поля с большими значениями магнитной индукции и все надежнее удерживаются магнитным барьером. По мере движения вдоль раструба 8 электроны с промежуточными энергиями попадают в область магнитного поля с большими значениями магнитной индукции и все надежнее удерживаются магнитным барьером. Важнейшей особенностью магнитной линзы 5 является отсутствие катушек. Это стало возможно потому, что токопроводящие раструбы 6, 7, 8 с криволинейными образующими, представляющие собой магнитную линзу 5, позволили сформировать магнитные барьеры магнитного поля. После магнитной линзы 5 электроны поступают к свариваемым изделиям 12, 13, 14. Места расположения свариваемых изделий 12, 13, 14 предварительно определяют по расположению пятен нагрева, образованных электронными лучами. Перемещение лучей электронов по свариваемым изделиям 12, 13, 14 при настройке устройства для электронно-лучевой сварки осуществляется незначительным поворотом одновременно всех раструбов 6, 7, 8 магнитной линзы 5, позволяющим устанавливать лучи точно по взаимно согласованным линиям сварки. Наложение пролонгированных сварочных швов на свариваемые изделия осуществляется путем автоматического одномерного перемещения свариваемых изделий относительно электронного луча.From the cathode 1, through the hole of the cathode electrode 2, the electrons are pulled by an electric field between the cathode 1 and the anode 3 and then enter the magnetic lens 5. In the magnetic lens 5, the electron flux forms into a beam, splits into beams by electron energies, and each of the beams is focused by a corresponding magnetic barrier . The beam of low-energy electrons is focused by a magnetic barrier located in the dip of the magnetic field along the slot 9 of the socket 6. The beam of electrons with intermediate energies is focused by the magnetic barrier located in the dip of the magnetic field along the slot of slot 10 of the socket 7. The beam of high-energy electrons is focused by a magnetic barrier located in the hole magnetic field along the slot 11 of the socket 8. Electrons are affected by the Lorentz force and do not pass through the magnetic barrier if the speed electrons insufficient. Electrons not transmitted by the magnetic barrier are deflected by the magnetic field onto the path along the magnetic barrier. Low-energy electrons follow the path determined by the extended magnetic barrier along the slot 9 to the welded article 12. A magnetic barrier located along the wide part of the bell 6 easily holds all low-energy electrons in orbit. As they move along the bell 6, low-energy electrons enter the region of the magnetic field with large values of magnetic induction and are more and more reliably held by the magnetic barrier. As they move along the bell 7, electrons with intermediate energies enter the region of the magnetic field with large values of magnetic induction and are more and more reliably held by the magnetic barrier. As you move along the bell 8, electrons with intermediate energies fall into the region of the magnetic field with large values of magnetic induction and are more and more reliably held by the magnetic barrier. The most important feature of magnetic lens 5 is the absence of coils. This became possible because conductive sockets 6, 7, 8 with curvilinear generators, representing a magnetic lens 5, allowed the formation of magnetic barriers of the magnetic field. After the magnetic lens 5, the electrons enter the welded products 12, 13, 14. The location of the welded products 12, 13, 14 is preliminarily determined by the location of the heating spots formed by the electron beams. The movement of electron beams along the welded products 12, 13, 14 when setting up the device for electron beam welding is carried out by a slight rotation of all the sockets 6, 7, 8 of the magnetic lens 5 at the same time, which allows you to set the beams exactly along mutually agreed welding lines. The application of prolonged welds on the welded products is carried out by automatic one-dimensional movement of the welded products relative to the electron beam.

Предлагаемое изобретение по сравнению с известными техническими решениями в этой области повышает производительность труда, поскольку многолучевое устройство позволяет осуществлять сварку одновременно нескольких изделий.The present invention, in comparison with the known technical solutions in this area, increases labor productivity, since a multipath device allows welding of several products at the same time.

Кроме того, при использовании предлагаемого изобретения снижается себестоимость свариваемых изделий.In addition, when using the present invention reduces the cost of the welded products.

Claims

A device for electron beam welding, containing a cathode located inside the cathode electrode, accelerating the anode with a hole, a high-voltage direct current source and a main conductive socket, forming a magnetic lens, tapering along the arcs of the orbits of the electrons, equipped with a longitudinal slit slot with a wide part located at accelerating anode, and a narrow part located at the product, characterized in that it is equipped with additional conductive sockets coaxial with the main bell, tapering along arcs orbits of electrons established with common alignment in the wide part of each bell with a decrease in the cross-sections of the bell from the alignment area of the bell to the opposite end of each bell, with additional bells located at the accelerating anode with a common alignment in the wide part of each bell and the products with a narrow part of each bell are equipped with longitudinal slotted slots, and the magnetic lens is formed by the main bell and additional bell sockets.