Образуване на електронния лъч
Образуването на електронен лъч за технологични цели може да бъде представено като процес, състоящ се от следните основни етапи:
1) получаване на свободни електрони;
2) ускоряване на електрони чрез електростатично или електромагнитно поле и образуване на насочен електронен поток;
Ориз. 3.1. Схема на електронно лъчево заваряване във вакуум
3) промяна на напречното сечение на насочения електронен поток за образуване на електронен лъч (най-често за фокусиране върху обработваната повърхност);
4) отклонение на електронния лъч и осигуряване на необходимата траектория за движение на напречното му сечение, попадащо върху обработваната повърхност (фокално петно);
5) действителното взаимодействие на електронния лъч с обработваната повърхност за осъществяване на необходимия технологичен процес.
Редица специални устройства, наречени електронни пушки, се използват за формиране и управление на електронен лъч.
Функционалната схема на такова устройство е показана на фиг. 3.1.
Източникът на електрони в електронните пушки обикновено е термичният катод 7, който е направен от волфрамов, танталов или лантанов хексаборид LaBb, които имат високи емисионни характеристики. В зависимост от материала на катода, неговата работна температура може да достигне
2400 ... .2800 K. Катодът най-често се нагрява с помощта на елемент, нагрят с електрически ток, а в някои случаи самият този елемент може да изпълнява функциите на катод (директно нагрят катод). Катодът е поставен вътре в катодния електрод 2. Анод 3 е разположен на известно разстояние от катода, направен под формата на масивна част с отвор по оста. Между катода и анода от специално захранване с високо напрежениеприложено ускоряващо напрежение Uyc = 30,150 kV, като анодът обикновено е свързан към тялото на инсталацията, а катодният възел е монтиран върху изолатор за високо напрежение. Поради потенциалната разлика между катода и анода, електроните се ускоряват до значителни скорости, повечето от тях преминават през отвора в анода и след това продължават да се движат по инерция в пространството отвъд анода. Силата на електронния поток се контролира чрез промяна на неговия ток (при постоянно ускоряващо напрежение) чрез прилагане
отрицателно (по отношение на катода) напрежение (UV) към управляващия (катоден) електрод 2 в електрооптичната система на заваръчния електронен пистолет.
Този електронен поток все още има относително ниски специфични енергийни параметри и за да се формира от него електронен лъч 4 с необходимите характеристики, обикновено е необходима допълнителна операция, фокусиране. За да се реализира напълно възможността за фокусиране и формиране на електронен лъч с минимални размери (0.2.2.0 mm) при значителна мощност до 100 kW, е необходимо да се изпълнят такива условия за формиране, че грешката на електронната оптика, отблъскването на електроните в лъча, тяхното топлинно движение и разсейване в газове и метални пари не пречат на събирането на електрони на лъча в малък обем.
В работното пространство на електронната пушка е необходим вакуум, тъй като с голям брой молекули от остатъчни газове те предотвратяват свободното преминаване на електрони чрез взаимни сблъсъци. В допълнение, условията на работа на термоелектронния катод също изискват защита от взаимодействие с атмосферните газове.Работният вакуум в електронната пушка трябва да бъде не по-лош от 10 . 10 Pa. С повишаване на налягането възниква повреда между катода и анода на електронния пистолет, което може да доведе до повредатокоизправител за високо напрежение.
За фокусиране на електронния лъч в електронна пушка обикновено се използва система от диафрагми и магнитни лещи. Магнитна леща 5 е соленоид с магнитна верига, която създава специално магнитно поле, което при взаимодействие с електрона променя траекторията си и го огъва към оста на системата. В този случай е възможно да се постигне "конвергенция" на електронния лъч върху достатъчно малка повърхност, а във фокуса 7 електронният лъч може да има много висока
известна плътност на мощността (до 5-10 W/cm). По отношение на постигнатата плътност на мощността електронният лъч отстъпва само на лазерния лъч. Такава плътност на мощността е достатъчна за редица технологични процеси и в резултат на промяна на фокуса, плътността на мощността може плавно да се промени до минимални стойности.
Конструкцията на електронния пистолет обикновено включва и отклоняваща система 6, която служи за придвижване на електронния лъч върху обработваната повърхност поради взаимодействието му с напречното магнитно поле, създадено от отклоняващата система. Обикновено за тази цел електронната пушка има две двойки отклоняващи намотки, които осигуряват движението на лъча в две взаимно перпендикулярни посоки. Чрез захранване на отклоняващите намотки с ток с определена честота и амплитуда е възможно да се получи практически всяка траектория на електронния лъч, движещ се по третираната повърхност, което се използва широко в електронно-лъчевата технология. Електронният пистолет обикновено се изработва под формата на единична функционална единица, която е или неподвижно прикрепена към вакуумната камера, или се движи вътре в камерата с помощта на специални механизми.
Заготовката 8 се поставя във вакуумна камера, оборудвана с капаци за зареждане иотвори за наблюдение на процесите на обработка (9 - заварка). При голяма дължина на зоната за обработка продуктът обикновено се движи или върти във вакуумна камера с помощта на специални механизми. За малка площ за обработка (обикновено по-малка от 50x50 mm) преместването на лъча обикновено е достатъчно и детайлът може да остане неподвижен.