CC BY
46
Неровный В.М. ©
Профессор, д.т.н., кафедра «Технологии сварки и диагностики»,
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДУГОВОГО РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ, ИСПОЛЬЗУЕМОГО ДЛЯ ПАЙКИ В ВАКУУМЕ
Аннотация
Приведены выбор методики и результаты исследования теплоэнергетических характеристик дугового разряда с полым катодом в вакууме на малых токах точечным зондом — микрокалориметром. Полученные результаты свидетельствуют о широком управлении как эффективной мощностью разряда, так и характером радиального распределения теплоэнергетических характеристик на аноде, что позволяет успешно применять его в качестве источника нагрева для пайки в вакууме активных металлов и сплавов.
Ключевые слова: дуговой разряд с полым катодом в вакууме, пятно нагрева, радиальное распределение, плотность мощности, плотность тока.
Keywords: arc discharge with a hollow cathode in a vacuum, spot heating, radial distribution, power density, current density.
В последнее время дуговой разряд с полым катодом (ДРПК) в вакууме находит все большее применение как локальный источник нагрева для пайки изделий из жаропрочных никелевых сплавов. Практика показала, что при высокотемпературной пайке малоразмерных соединений ДРПК применяли в диапазоне следующих параметров режима: ток I = 10-50 А; напряжение U = 28-35 В; длина дугового промежутка /=1,0-4,0 см; подача
плазмообразующего газа-аргона через полость катода G = 0,5-1,5 мг/с; давление в камере (2-
5)-10- Па [1]. При этом он существовал в так называемой диффузной форме (рис. 1).
Рис. 1. Внешний вид ДРПК в диффузной форме (G = 0,75 мг/с, диаметр полости катода йк = 0,3
см, l = 4,0 см)
Для определения необходимого количества энергии при пайке конкретного изделия нужно знать не только эффективную мощность разряда q, но и характер распределения его теплоэнергетических характеристик на изделии, в частности радиальных распределений плотностей мощности q2(r) и тока j(r) по пятну нагрева ДРПК. С позиции предотвращения подплавления или перегрева паяного соединения распределение q2(r) источника нагрева по
© Неровный В.М., 2015 г.
поверхности изделия является определяющим. Поэтому при расчете процесса распространения тепла в зоне паяного соединения необходимо учитывать характер радиального распределения плотности мощности ДРПК в пятне нагрева, что требует экспериментального определения характеристик теплоэнергетических характеристик на аноде-изделии.
Целью настоящей работы является выбор метода одновременного измерения радиальных распределений плотностей мощности и тока в пятне нагрева, а также изучение их зависимостей от параметров режима ДРПК в вакууме.
Теплоэнергетические характеристики в дуговом разряде регистрируются нестационарными и стационарными методами [2]; последние при определенных условиях свободны от недостатков нестационарных методов, основанных на измерении температуры датчика как функции времени. Стационарные методы делятся по типу охлаждаемого калориметра на точечный, линейный и плоскостной.
Плотность тока в дуге измеряется спектральным и индукционным методами, методом измерения напряженности электрического поля в тонкой пластине-электроде, нагруженной осесимметрнчно распределенным током [3], а также с помощью плоскостных зондов [4]. Из этих методов для одновременной регистрации q2 и j в пятне нагрева наиболее рационально использовать медные водоохлаждаемые калориметры (плоскостной и точечный), служащие анодом разряда.
Для измерения малых значений локальных теплоэнергетических характеристик ДРПК изготовили точечный зонд-микрокалориметр (рис.2). Разницу температур воды входящей и выходящей из точечного зонда измеряли дифференциальной медь-константановой термопарой диаметром 0,15 мм. Для уменьшения погрешности измерения температуры воды спаи дифференциальной термопары были помещены внутрь калориметра и тщательно изолированы.
Рис.2. Схема определения радиального распределения плотностей мощности и тока в пятне нагрева разряда точечным зондом-микрокалориметром
Дуговой разряд возбуждали между полым катодом и поверхностью основного анода. Точечный зонд вместе с основным анодом перемещали в радиальном направлении относительно центра анода как с постоянной скоростью так и дискретно с шагом 0,5 мм и более. Точечный зонд изготовили диаметром 1,0 мм, перемещение которого в большинстве экспериментов проводили дискретно с шагом 1,0 мм. ЭДС термопары, предварительно
усиленный усилителем постоянного тока УПТ «Топаз-2», подавали на электронный автоматический потенциометр типа КСП-4, класс 0,5.
Благодаря применению УПТ «Топаз-2» удалось измерять данной термопарой разницу температур воды от 0 до 10 °С с точностью до 0,1 °С. Калориметрическую систему калибровали по эталонному ртутному термометру ТЛ-4 (ГОСТ 215-73) с ценой деления 0,1 °С. Расход воды через микрокалориметр измеряли ротаметром РМ 0,63 Г, класс 2,5, в пределах от 0,7 до 10 г/с. Расход воды при проведении экспериментов 2-3 г/с. Ток дугового разряда, проходящий через электрическую цепь точечного зонда регистрировали прибором М-136/А10 мкА, 10 mV, класс 0,5, который был подключен к шунту 50 А, 75 mV, класс 0,5, что позволило измерять ток от 0 до 6,67 А с точностью до 0,07 А. Для того, чтобы ток, проходящий через точечный зонд, был равен току, проходящему через эквивалентную поверхность основного анода, электрические сопротивления двух контуров выравнивали до значений Rp=Rc. Это позволило определять локальные параметры по всей площади зоны нагрева разряда с относительной погрешностью не превышающей 5 % и порогом чувствительности для q2 ~ 10 Вт/см , j ~ 10 А/см . Такую точность измерения удалось реализовать не только путем применения высокочувствительных приборов, но и благодаря простой обработке экспериментальных данных, поскольку q2 и j являются усредненными величинами по площади точечного зонда-микрокалориметра.
Измеренные радиальные распределения q2(r) и j(r) в пятне нагрева ДРПК для различных режимов с достаточной точностью можно аппроксимировать законом нормального распределения (кривой Гаусса) [5]
f(r) = /max ехр (- hr2),
где к — коэффициент сосредоточенности, r — радиус пятна нагрева. Расхождение экспериментальной кривой /(r) и расчетной (рис.3), наблюдается только на периферии пятна нагрева (расчетная кривая идет ниже экспериментальной).
Рис. 3. Радиальные распределения j(r) и q2(r) на аноде ДРПК (l = 1,0 см, G = 0,5 мг/с): 1 - j(r); 2 -q2(r); I = 20 А; U = 29,5 В; 3 - j(r); 4 - q2(r); I = 50 А; U = 19,5 В; 5 - расчетная кривая
Отличительной особенностью ДРПК в вакууме является то, что радиус активного пятна Ra и пятна нагрева R^ совпадают, вследствие малых потерь в столбе разряда (2—3%) от общей его мощности. Это позволяет во время подбора оптимального технологического режима определять коэффициент сосредоточенности к при регистрации j(r) ДРПК на аноде. При известных параметрах режима разряда можно рассчитать радиальное распределение q2(r), так как к равны для q2(r) и j(r).
Результаты экспериментов показали, что в ДРПК диффузной форме эффективный КПД пи находится в пределах ци = 0,75-0,84. Более низким значениям ци соответствуют параметры режима ДРПК на токах I < 15 А и длины дугового промежутка l > 3,0 см. Связано это с увеличением энергетических потерь в прикатодной области и во внешнем столбе разряда [6].
Основным независимым параметром при регулировании эффективной мощностью в широких пределах для ДРПК в вакууме, как и для других типов дуг, является ток разряда. Вместе с тем, в отличие от других типов разрядов эффективной мощностью q (рис. 4), q2m и jm в центре пятна нагрева ДРПК можно заметным образом регулировать путем изменения длины дугового промежутка (рис. 5).
Рис. 4. Зависимость эффективной мощности ДРПК от длины дугового промежутка (G = 0,75
мг/с, йк = 0,3 см): 1 - I = 12 А, 2 - 30 А, 3 - 50 А
В диапазоне параметров режима ДРПК для пайки в вакууме q2m, jm в пятне нагрева и q, к изменяются в широких пределах: q = 100-1200 Вт, q2m = 300-3200 Вт/см ; jm = 20-200 А/см2; к = 1-12 см-2, что дает возможность плавно управлять процессом нагрева
малоразмерных паяных соединений деталей, выполненных из жаропрочных никелевых и титановых сплавов.
Рис. 5. Зависимость q2m и к в центре пятна нагрева ДРПК от длины дугового промежутка (G = 0,5 мг/с, йк = 0,3 см): I = 20 А, 1 - q2m, 2 - к; I = 50 А, 3 - q2m, 4 - к
Выводы
1. Радиальное распределение q2(r) и j(r) в пятне нагрева дугового разряда с полым катодом в вакууме с достаточной точностью описывается нормальным законом распределения, расхождение наблюдается только в периферийной зоне пятна нагрева.
2. ДРПК в вакууме является высокоэффективным и технологически гибким источником тепла. Так, регулирование параметров режима в диапазоне - ток разряда от 10 до 50 А, длина дугового промежутка от 0,5 до 4,0 см, подача аргона через катод от 0,5 до 1,5 мг/с - позволяет плавно и в широких пределах управлять его эффективной мощностью от 200
2
до 1200 Вт, коэффициентом сосредоточенности от 0,2 до 12 см" и максимальным значением
плотности мощности в центре пятна нагрева от 10 до 3200 Вт/см2.
Литература
1. Неровный В.М. Технология ремонта поверхностных дефектов на отливках турбинных лопаток. // Сварочное производство.- 1998.-№6.- С.42-45.
2. Дресвин С.В. Физика и техника низкотемпературной плазмы. - М.: Атомиздат, 1972. - 352 с.
3. Кулагин И.Д., Николаев А.В. Определение плотности тока в сварочной дуге // Вопросы газоэлектрической сварки. -М.: ЦНТ0М, 1959. - С. 52-81.
4. Гладкий И.В., Переплетчиков Е.Ф., Рябцев И.А. Плазменная наплавка.- Киев: «Екотехнолопя», 2007.-192 с.
5. Кархин В. А. Тепловые процессы при сварке. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. 646 с.
6. Nerovny V.M., Khakhalev A.D. Hollow cathode arc discharge as an effective energy source for welding processes in vacuum // J. Phys. D: Appl. Phys. 2008. - 41. - №3.-035201 (8pp).
