М.Г. Болотов, канд. техн. наук

Т.Р. Ганєєв, канд. техн. наук

Чернігівський державний технологічний університет, м. Чернігів, Україна

ЕФЕКТИВНІСТЬ НАГРІВУ ПРИ ЗВАРЮВАННІ В ТЛІЮЧОМУ РОЗРЯДІ З ПОРОЖНИСТИМ КАТОДОМ

Досліджено енергетичну ефективність нагрівання деталей при зварюванні в плазмі тліючого розряду, що горить у порожнистому катоді.

Постановка проблеми

При зварюванні в нормальному тліючому розряді здійснюється прямий нагрів де­талей, які одночасно виконують роль катода розряду, в результаті безпосереднього пере­творення на їх поверхні електричної енергії, що виділяється в розряді, в теплову в проце­сі бомбардування їх поверхні прискореними позитивними іонами газу і передачею через тонкий прикатодний шар частини енергії (до 60 %) позитивного стовпа розряду [1; 2].

Сумарна дія на катоді двох джерел теплоти забезпечує нагрів з досить високим ефективним ККД (коефіцієнтом корисної дії), що досягає 0,7...0,85.

Механізм нагріву в тліючому розряді з порожнистим катодом (ТРПК) істотно відрізняється і визначається особливостями існування ефекту порожнистого катода.

Деталі, що зварюються, розміщують в області негативного тліючого свічення, шари якого частково перекриваються. В результаті перекриття катодних областей протяжність їх зменшується, що призводить до підвищення напруженості електричного поля в зоні темного катодного простору d_k. Зростання напруженості поля на ділянці d_k пов’язане з підвищенням інтенсивності іонізації в темному катодному просторі і, отже, з посиленням потоку іонів, які бомбардують катод і викликають вторинну емісію з нього електронів, які, у свою чергу, бомбардують поверхню деталі. Це призводить до посилення (у порівнянні з нормальним тліючим розрядом) електронної складової струму з порожнистого катода.

У ході розряду іони приходять до катода не самі, а разом з квантами променистої енергії (фотонами), що виділяються в процесі рекомбінації в області тліючого свічення. Віддача всіма частками своєї потенційної і кінетичної енергії катоду підвищує результуючу емісію в порівнянні з емісією, що створюється лише іонами.

Оскільки кількісно врахувати кількість фотонів, що досягають катода, неможливо, то за­звичай прийнято усі електрони, що емітуються катодом, відносити умовно лише до дії іонів.

Стосовно розряду з порожнистим катодом таке припущення є тим більш справед­ливим, оскільки він існує при порівняно низьких тисках газу, що не перевищують 0,1 кПа, а при зниженні тиску газу фотонна складова на катоді стає малозначимою [3].

Таким чином, можна вважати, що нагрів деталей при зварюванні в тліючому розряді з порожнистим катодом здійснюється в результаті бомбардування їх поверхні електро­нами, що вилітають з поверхні порожнистого катода унаслідок іонно-електронної емісії під дією іонного бомбардування (рис. 1).

 

 

 

 

А – анод; К – катод; Д – деталь; + – іони робочого газу; е – емітовані з поверхні катоду електрони; НТС – область негативного тліючого свічення; d_k – область темного катодного простору; L_к-д – відстань катод-деталь

Рис. 1. Схема нагріву в ТРПК

Постановка завдання

Метою роботи є дослідження енергетичних характеристик тліючого розряду з порожнистим катодом в умовах зварювання.

Виклад основного матеріалу дослідження

Величину ефективного ККД нагріву в тліючому розряді з порожнистим катодом визначали експериментально. При цьому корисними вважали теплоту, що акумулю­ється деталлю за час нагріву, і теплоту, втрачену деталлю за допомогою різних механіз­мів тепловідводу.

Теплота, що акумулюється деталлю в процесі нагрівання, визначається її геометри­ними і теплофізичними характеристиками і може бути знайдена із співвідношення:

, (1)

де с – питома теплоємність матеріалу деталі, ;

ρ – густина матеріалу, ;

v – об'єм деталі, м³;

ΔТ – зміна температури деталі за час нагріву, К;

Δτ – тривалість нагріву, с.

Теплові втрати в системі катод-деталь складаються з тепловіддачі з поверхні деталі за допомогою випромінювання і теплообміну між цією поверхнею та нагрітим газом у проміжку між деталлю і катодом за допомогою конвекції або теплопровідності газу.

Для оцінки ролі цих втрат одночасно з нагрівом деталі здійснювали контроль темпе­ратури катода і температури газу в області темного катодного простору. Для виміру температури катода до нього конденсаторним зварюванням приварювалася хромель-алюмелева термопара. Така ж термопара встановлювалася посередині проміжку катод-деталь для визначення температури газового середовища.

Термопара закріплювалася в керамічній оболонці і встановлювалася, як показано на (рис. 2) для того, щоб уникнути дії на неї потоку електронів, здатних привести до створення на термопарі заряду і спотворення результатів вимірів.

Рис. 2. Схема контролю температурного стану катода Т1 та газового середовища Т2

 

Результати вимірювань показали, що температури і катода, і газу в процесі нагріву деталі зростають, проте залишаються помітно нижче за температуру деталі. Так, при максимальній температурі деталі (граничний стан) 1073…1123 К температура катода не перевищує 470…520 К, а температура газу в контрольній точці досягає 773...873 К. Очевидно, температура газу в проміжку поступово знижується від температури деталі до температури поверхні порожнистого катода.

Радіаційні втрати випромінюванням з бічної поверхні деталей визначали за законом Стефана-Больцмана:

, (2)

де ε – коефіцієнт чорноти тіла, ε ≈ 0,8 [4];

σ₀ = 5,76 – постійна Стефана-Больцмана;

Т – температура нагріву деталі, К;

Т₀ – температура середовища навколо деталі, в цьому випадку це температура поверхні полого катода, складової в процесі нагріву Т₀ ≈ 470...520 К.

S_б – площа бічної поверхні деталі, м².

Оскільки в процесі нагріву температура порожнистого катода і середня температура газу в проміжку катод – деталь істотно нижче за температуру самої деталі, можливі втрати теплоти з її поверхні за допомогою теплопровідності газу, визначались як:

, (3)

де λ – коефіцієнт теплопровідності газу, ;

Т і Т₀ – відповідно, температури деталі і порожнистого катода, К;

L – протяжність проміжку катод – деталь, м.

Розрахунки, виконані згідно з виразами (2) і (3), свідчать, що унаслідок низької теплопровідності газів (при середній температурі газу Т ≈ 773 К коефіцієнт теплопро­відності аргону λ = 0,0038 , азоту λ = 0,055 [5]) останні втрати при темпера­турі деталі Т = 973..1073 К не перевищують 2...4 Вт, що складає менше 10 % від потуж­ності радіаційних втрат.

Величину ефективного ККД нагріву тліючим розрядом з порожнистим катодом визначали за результатами нагріву сталевих і мідних деталей у вигляді стрижнів діаметром 0,008 м і завдовжки 0,04 м, розташованих у вільнопідвішеному стані усередині порожнистого катода з апертурою (діаметром) порожнини 0,02…0,05 м.

Температурний стан деталей контролювали ХА-термопарою, зачеканеною в одному з торців деталі. Вимір температури проводили через кожних 30 с нагріву до досягнення граничного стану. Останнім вважали таке, при якому температура зростала не більше ніж на 10 К за контрольний проміжок часу.

Струм розряду в експериментах варіювали в межах 35...110 мА, тиск газу (азоту, арго­ну або залишкового повітряного середовища) встановлювали на рівні 10 Па, 26 Па та 52 Па.

Величину ефективного ККД визначали як відношення:

. (4)

Результати досліджень, приведені на (рис. 3), показують, що серед усіх параметрів режиму (струму I, його густини J (рис. 3, а), тиску газу P (рис. 3, б), роду газу (рис. 3, в), матеріалу деталі (рис. 3, г), діаметра катоду D_k і величини проміжку катод – деталь L_к-д (рис. 3, д)) ефективність нагріву найбільш помітно залежить від протяжності проміжку катод – деталь L_к-д, яка визначається внутрішнім діаметром катодної порож­нини. Із збільшенням цього проміжку величина ефективного ККД істотно знижується, причому ця залежність має близький характер як у разі незмінного струму розряду, так і при незмінній густині струму на катоді. Це може бути пов'язано із збільшенням витрат електронів через відкритий торець катодної порожнини у навколишній простір під впливом двох взаємно перпендикулярних електричних полів, які діють у напрямку катод – деталь (Е₁ – в області темного катодного простору) та катод – анод (Е₂) (рис. 4).

 

а) б)

 

в) г)

д)

Рис.3. Характер впливу основних параметрів режиму нагріву тліючим розрядом
з порожнистим катодом на ефективний ККД розряду

 

К – катод; А – анод; Д – деталь; h – величина зміщення електронів

Рис.4. Траєкторія руху електронів під дією електричних полів Е1 та Е2, діючих у проміжку катод – деталь та катод – анод відповідно

 

Величину зсуву траєкторії електронів визначали розрахунковим шляхом відповідно за отриманою в процесі теоретичних досліджень аналітичною залежністю:

, (5)

де U – напруга на розрядному проміжку; U_i – потенціал іонізації атомів (молекул) газу; m, V, e – маса, швидкість і заряд електрона відповідно; φ – робота виходу електронів; d – середня величина проміжку катод-анод.

Результати розрахунків свідчать, що при діаметрі катода 0,02 м та діаметрі деталі 0,008 м (тобто для L_к-д = 0,006 м), напрузі 1000…1500 В величина зсуву електронів складає h = 0,025…0,04 м. Збільшення діаметра катода до 0,05 м при тому ж діаметрі деталі (тобто для L_к-д = 0,021 м), спричиняє збільшення цієї величини більш ніж на порядок, що в наших дослідах призводило до зменшення величини ефективного ККД з 0,5 до 0,3.

Висновки

1. Встановлено, що величина ефективного ККД нагріву ТРПК залежить, в основному, від протяжності проміжку катод – деталь l_к-д, що визначається геометричними параметрами системи катод – деталь.

2. Встановлено, що головною причиною зниження ефективності нагріву ТРПК є втрата частини емітованих електронів унаслідок їх відходу через відкриті торці порожнини катода назовні в результаті викривлення траєкторії їх руху під дією двох взаємно перпендикулярних електричних полів – у темному катодному просторі в проміжку катод – деталь і в проміжку катод – анод.

3. Розрахунковим шляхом визначено, що якщо для l_к-д = 0,006 м максимальна величина зсуву траєкторії електронів у бік анода не перевищує 0,02...0,04 м, то для l_к-д = 0,021 м величина такого зсуву зростає майже на порядок. Це обумовлює необхідність зниження площі можливих каналів відходу електронів з катодної порожнини, в першу чергу, скороченням відстані між емітуючою поверхнею катода і деталлю.

Список використаних джерел

1. Болотов Г. П. Поверхневий нагрів тліючим розрядом при дифузійному зварюванні / Г. П. Болотов // Вісник ЧДТУ. – 2004. – № 21. – С. 111-119.

2. Болотов Г. П. Тлеющий разряд как источник нагрева в процессах сварки и пайки (обзор) / Г. П. Болотов // Автоматическая сварка. – 2001. – № 8. – С.41-44.

3. Елецкий А. В. Газовый разряд / А. В. Елецкий – М.: Знание, 1981. – 64 с.

4. Лыков А. В. Теория теплопроводности / А. В. Лыков – М.: Высшая школа, 1967. – 599 с.

5. Пехович А. И. Расчет теплового режима твердых тел / А. И. Пехович, В. М. Жидких – Л.: Энергия, 1968. – 303 с.