Энергосберегающая насадка к электронно-лучевой сварочной пушке

Авторы патента:

Полезная модель относится к оборудованию для электронно-лучевой сварки в вакууме, в частности к устройствам защиты электронно-лучевых пушек и стенок вакуумной камеры от напыления продуктами испарения свариваемого металла, а также для снижения потерь удельной мощности электронного луча электронно-сварочной пушки, особенно при сварке в условиях низкого вакуума. Энергосберегающая насадка содержит корпус с элементами его крепления к электронно-лучевой пушке, причем корпус выполнен полым, а полость имеет форму сопла Лаваля. По наружной поверхности корпуса выполнены кольцевые проточки, в которых размещены вставки из теплопроводящего материала, зафиксированные в проточках, а в ребрах между проточками, параллельно продольной оси корпуса выполнены сквозные отверстия. 1 з.п ф-лы, 1 илл.

Известно устройство для защиты катодного узла электронно-лучевой пушки от напыления, содержащее экран, выполненный в виде полого усеченного конуса, который своим большим основанием обращен к торцу электронно-лучевой пушки и закреплен на ней с помощью шпилек. На большем основании конуса смонтирована крышка с отверстиями. В центральное отверстие установлена трубка с каналом переменного сечения для прохождения электронного луча. Два других отверстия выполнены в боковой цилиндрической части крышки и имеют разные диаметры.

Напротив отверстия с большим диаметром установлен вогнутый экран, на который в процессе работы устройства оседают пары металла. Испаряющийся металл двигается во внутренний объем конуса и конденсируется на его стенках и поверхности изогнутого экрана за счет переменного температурного градиента и разности давлений в зоне сварочной ванны и большего отверстия крышки и не попадает на катодный узел электронно-лучевой пушки.

(см. а.с. СССР 1761409, кл. В23К 15/00, 1992 г.

В результате анализа конструкции данного устройства необходимо отметить, что оно обеспечивает защиту катодного узла электронно-лучевой пушки от продуктов испарения свариваемого металла, однако при его работе, особенно в крупногабаритных вакуумных камерах, недостаточен тепломассообмен между корпусом устройства и стенками камеры, что приводит к перегреву корпуса и снижает эффективность сварки, так как необходимо периодически прерывать процесс сварки и охлаждать корпус устройства, что также снижает производительность сварки, а также увеличивает потери удельной мощности электронного луча электронно-сварочной пушки и не обеспечивает качественной сварки изделий в широком диапазоне температур.

Известно устройство защиты электронного пучка электронно-лучевой сварочной пушки и стенок вакуумной камеры от продуктов напыления, выполненное в виде насадки к электронно-лучевой пушке и содержащее полый корпус, внутренняя поверхность которого выполнена в виде сопла Лаваля, имеющего диффузор и конфузор. К верхней части корпуса пристыкована камера, на образующей которой выполнены радиальные отверстия. В стенке камеры, с возможностью осевого перемещения размещен патрубок, выходная часть которого имеет форму усеченного конуса, а внутренняя поверхность выполнена конической. Патрубок, после установки в заданное положение, фиксируется на камере посредством гаек.

Насадка посредством хомута и крепежных элементов крепится к изолятору электронно-лучевой пушки.

(см. журнал «Сварочное производство, 1995, 6, стр.2, 3) - наиболее близкий аналог.

В результате анализа данного устройства необходимо отметить, что оно обеспечивает качественную сварку только металлов с температурой плавления не более 1500°С, а при сварке металлов с большей температурой плавления происходит перегрев устройства, который является следствием недостаточного тепломассообмена между корпусом устройства и вакуумной камерой. Особенно это характерно при использовании камер большого объема с крупногабаритными свариваемыми изделиями, которые занимают значительный объем камеры.

Техническим результатом заявленной полезной модели является разработка насадки к электронно-лучевой сварочной пушке, обеспечивающей производительную и качественную сварку в том числе, металлов с высокими температурами плавления как в низком, так и в высоком вакууме с минимальными потерями удельной мощности электронного луча.

Указанный технический результат обеспечивается за счет того, что в устройстве защиты катодного узла электронно-лучевой сварочной пушки от продуктов испарения свариваемого металла, содержащем корпус с элементами его крепления к электронно-лучевой пушке, причем корпус выполнен полым, а полость имеет форму сопла Лаваля, новым является то, что по наружной поверхности корпуса выполнены кольцевые проточки, в которых размещены вставки из теплопроводящего материала, зафиксированные в проточках, а в ребрах между проточками, параллельно продольной оси корпуса выполнены сквозные отверстия, при этом, в качестве теплопроводящей вставки может быть использована сетка, выполненная из меди.

Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена энергосберегающая насадка в осевом разрезе.

Энергосберегающая насадка содержит полый корпус 1 цилиндрической формы, на наружной поверхности которого выполнены кольцевые проточки 2. В образованных кольцевыми проточками ребрах, параллельно продольной оси корпуса выполнены осевые отверстия 3, предназначенные для улучшения теплоотвода от корпуса насадки и улучшения условий откачки воздуха из кольцевых проточек. В каждой проточке размещены металлические вставки 4, выполненные из теплопроводящего материала, например, из сетчатых медных лент, спирально навитых в пазах и зафиксированных в них. Фиксация может быть осуществлена известным образом, например, посредством элементов 5 (стяжек, струбцин, хомутов и пр). Внутренняя поверхность корпуса 1 имеет форму сопла Лаваля, имеющего диффузор 6 и конфузор 7. К верхней части корпуса пристыкована камера 8, на образующей которой выполнены радиальные отверстия 9 и 10 разного диаметра. В стенке 11 камеры, с возможностью осевого перемещения размещен патрубок 12, выходная часть 13 которого выполнена в виде усеченного конуса. Патрубок 12, после установки в заданное положение, фиксируется на камере посредством гаек 14 и 15. На камере также имеются отверстия 16 для дополнительной откачки внутреннего объема насадки.

Насадка посредством хомута 17 и крепежных элементов 18 крепится к изолятору 19 электронно-лучевой пушки 20.

Отверстие 21 патрубка 12 имеет коническую форму, которая способствует созданию «скачка» уплотнения внутри парогазового потока. Свариваемые детали обозначены позициями 22 и 23 и расположены на столе 24. Вакуумный объем камеры (показан частично) обозначен позицией 25.

Энергосберегающая насадка работает следующим образом.

Для осуществления работы в кольцевых проточках 2 корпуса 1 размещают вставки 4, фиксируют их. Насадку монтируют посредством хомута 17 и крепежных элементов 18 на изоляторе 19 стандартной электронно-лучевой пушки 20. Патрубок 12 устанавливают в положение, при котором вершина 26 его усеченного конуса располагается на малом основании диффузора 6. На стол 24, размещенный в вакуумной камере, устанавливают свариваемые детали 22 и 23. Помещают в вакуумную камеру электронно-лучевую пушку с установленной на ней насадкой и располагают торец насадки на расстоянии «S» от свариваемых деталей. Расстояние «S» определяется условиями технологического процесса сварки. Так при сварке деталей, температура плавления которых не превышает 1000°С, данное расстояние равно 28 мм. При сварке деталей с температурой плавления до 2000°С - 38 мм., до 3000°С - 46 мм., до 4000°С - 56 мм. Герметизируют вакуумную камеру. Откачивают электронно-лучевую пушку и вакуумируют камеру. Включают электронно-лучевую пушку. Электронный луч 27 осуществляет сварку деталей 22 и 23. Разогретый парогазовый поток испаряемого в процессе сварки металла 28 скапливается в нижней части корпуса, раскручивается, образуя осевой канал 29 для прохода электронного луча, что позволяет значительно уменьшить потери удельной мощности электронного луча, а на границе сопряжения конусов образуется «скачок» уплотнения 30, который препятствует прохождению парогазового потока к катодному узлу электронно-лучевой пушки и в полость вакуумной камеры (данный процесс подробно описан в наиболее близком аналоге). Раскаленные частицы парогазового потока постепенно оседают на внутренней поверхности корпуса, отдавая ему свое тепло. Образовавшееся в результате сварки тепло отводится через стенку корпуса 1. Наличие в проточках корпуса вставок и отверстий на ребрах улучшают процесс теплоотвода особенно в условиях низкого вакуума.

Необходимо отметить, что уже само наличие ребер на корпусе устройства увеличивает поверхность теплоотдачи и улучшает теплоотвод. Пакеты вставок, размещенных между ребрами, улучшают отвод тепла от корпуса устройства.

Работа насадки опробована на электронно-лучевой сварочной установке ЭЛА 60/60.

Материал свариваемых деталей: 12Х18Н10Т, ХН38ВТ, ВТ1.

Рабочее давление в вакуумной камере: 5·10^-2 мм.рт.ст.

Рабочее давление в электронно-лучевой пушке: 5·10^-5 мм.рт.ст.

Потери удельной мощности электронного луча: до 3%.

В процессе цикла сварки температура корпуса устройства не превышала 250°С, что позволяло вести процесс сварки непрерывно в течении длительного времени.

Продукты испаряемого металла оседали на внутренней поверхности корпуса устройства и не попадали на стенки вакуумной камеры и катодный узел электронно-лучевой пушки.

Сварка велась в низком вакууме, что существенно снизило затраты на ее осуществление.

1. Насадка к электронно-лучевой сварочной пушке, содержащая корпус с элементами его крепления к электронно-лучевой пушке, выполненный полым, полость которого имеет форму сопла Лаваля, отличающаяся тем, что на наружной поверхности корпуса выполнены кольцевые проточки, в которых зафиксированы вставки из теплопроводящего материала, а в образованных между проточками ребрах параллельно продольной оси корпуса выполнены сквозные отверстия.

2. Насадка по п.1, отличающаяся тем, что вставки выполнены в виде сетчатой ленты из меди.