М.Г. Болотов, канд. техн. наук

Чернігівський державний технологічний університет, м. Чернігів, Україна

ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ГЕОМЕТРИЧНИХ ТА ЕЛЕКТРИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОРОЖНИСТОГО КАТОДУ НА ЕФЕКТИВНІСТЬ НАГРІВУ В УМОВАХ ЗВАРЮВАННЯ

Досліджено вплив геометричних параметрів порожнистого катоду на енергетичну ефективність під час зварювання в тліючому розряді.

Вступ. Можливість нагріву в тліючому розряді з порожнистим катодом була показана ще в 1879 році англійським ученим В. Круксом. У його пристрої тепловий ефект досягається шляхом гальмування на зразку, що піддається впливу, швидких електронів, які набувають свою швидкість у області катодного падіння потенціалів (зоні темного катодного простору), прилеглого до півсферичних сегментів катода.

Проте минуло більше сотні років, перш ніж виникла необхідність у використанні таких джерел теплоти, які могли б забезпечити температуру порядку 2000 °С.

До теперішнього часу тліючий розряд з порожнистим катодом активно використовується в різних фізичних експериментах, спектроскопії, в процесах хіміко-термічної обробки металів, газорозрядних електронно-променевих гарматах, електровакуумних приладах і т. д.

Дослідження, проведені в роботах [1; 2] показали можливість застосування тліючого розряду з порожнистим катодом і в умовах зварювання тиском.

Стабільність параметрів режиму, простота технічної реалізації, контролю й управління процесом нагріву, широкий діапазон регулювання технологічних параметрів, малі капітальні витрати роблять тліючий розряд з порожнистим катодом досить ефективним джерелом нагріву для дифузійного зварювання і паяння.

Результати експериментальних порівнянь ефективності різних джерел енергії для дифузійного зварювання, виконані в роботі [3] показують, що тліючий розряд з порожнистим катодом за своїми енергетичними показниками в 3-4 рази перевищує радіаційне (як найбільш поширене) джерело нагріву, в той же час дещо поступається нормальному тліючому розряду.

У зв’язку з цим виникають питання, пов'язані з пошуком способів підвищення енергетичних характеристик тліючого розряду з порожнистим катодом (ТРПК) в умовах зварювального нагріву.

Постановка завдання. Метою роботи є дослідження впливу геометричних характеристик порожнистого катода на ефективність нагріву в умовах зварювання.

Методи та результати. Результати досліджень, виконані в роботі [4], показують, що величина ефективного ККД нагріву в ТРПК визначається, в основному, умовою виходу електронів з катодної порожнини в результаті викривлення траєкторії їх руху, внаслідок дії двох електричних полів.

Для оцінки впливу такого механізму втрат на величину ефективного ККД у цій роботі були проведені досліди з конструктивною зміною схеми нагріву.

Здійснювався нагрів сталевого стрижня діаметром 0,008 м і довжиною 0,04 м, який знаходився у вільно підвішеному стані всередині катода діаметром 0,04 м, висотою 0,04 м. Струм розряду підтримувався постійним на рівні 0,075 А. Температурний стан контролювали ХА- термопарою.

а) б) в)

Рис. 1. Схема нагріву тліючим розрядом у порожнистому катоді:
а) схема з одним каналом виходу електронів; б, в) схеми з двома каналами виходу електронів:
А – анод; К – катод; Д – деталь

У першому випадку використовували порожнистий катод з прорізом уздовж утворюючої і розташуванням анода вздовж прорізу (рис. 1, а). В цьому випадку утворювався один канал виходу електронів, з викривленням траєкторії електронів у бік анода, перпендикулярно поверхні катода і деталі. Величина ефективного ККД для цієї схеми нагріву становила h₀ = 0,35...0,37.

У подальших дослідах використовували схеми нагріву з двома каналами виходу електронів. У одному з варіантів використовували порожнистий катод, що складається з двох неповних кільцевих сегментів (рис. 1, б), які знаходяться під одним і тим же потенціалом. У іншому варіанті використовували класичну схему, але з розташуванням додаткового анода поблизу другого відкритого торця катода (рис. 1, в).

Результати експериментів показали, що величина ефективного ККД у обох останніх варіантах становила h₀ = 0,32...0,33, що на 3...4 % нижче, ніж за наявності одного каналу втрат електронів.

З метою підвищення осциляції електронів усередині катодної порожнини, тобто для перешкоди їх відтоку на анод, вихідний отвір катодної порожнини був накритий ста­ле­вою діафрагмою з прорізом по центру для проник­нення потоку іонів, бомбардуючих катод і можливості розміщення деталі всередині порожнини. Здійснювався нагрів тієї ж деталі. Величина струму становила 0,075 А. Діафрагма також знаходилася під катодним потенціалом. Схема нагріву представлена на рисунку 2.

Рис. 2. Схема нагріву тліючим розрядом з накритим металевою діафрагмою порожнистим катодом: А – анод;
К – катод; Д – деталь

Результати експериментів показали, що величина ефективного ККД за цією схемою не перевищує h₀ = 0,35...0,37, що відповідає попереднім результатам нагріву.

У роботі також розглядався вплив геометричних характеристик порожнистого катода на ефективність нагріву в ТРПК.

У зв’язку з тим, що циліндрична форма катода найбільш проста в реалізації і прий­нятна для зварювального нагріву деталей циліндричної форми, тому всі дослідження проводили шляхом зміни апертури катодної порожнини та її висоти.

На першому етапі досліджувався вплив діаметра катодної порожнини, величина якої в наших дослідах змінювалася в межах від 0,02 м до 0,05 м. Висота катода при цьому залишалася незмінною і становила 0,04 м. Здійснювався нагрів сталевого стрижня діаметром 0,008 м і довжиною 0,04 м.

Результати досліджень показують, що збільшення діаметра катодної порожнини від 0,02 м до 0,05 м, при постійному діаметрі деталі, призводило до зниження величини ефективного ККД нагріву з 0,49 до 0,3 відповідно.

У цьому випадку поряд з підвищенням відтоку електронів через відкритий торець порожнини може бути присутня й інша складова втрат, пов’язана з втратою енергії електронів за рахунок збільшення числа їх зіткнень з атомами та іонами газу під час збільшення відстані катод-деталь при більшому діаметрі катода (рис. 3).

Рис. 3. Електричне поле тліючого розряду з порожнистим катодом:
е – напрямок руху електронів; + – напрямок руху іонів; ТКП – темний катодний простір;
L_к-д – відстань катод – деталь; А – анод; К – катод; Д – деталь

Згідно з кінетичною теорією газів довжина вільного пробігу електронів в газі становить [5; 6]:

, (1)

де lа – довжина вільного пробігу атома, яка, згідно з тією ж теорії становить:

, (2)

де, у свою чергу, = Q – газокінетичний переріз атомів (молекул), який для аргону становить Q = 59·10^-20 м², для азоту Q = 62·10^-20 м²; n – щільність атомів (молекул) газу, м^-3.

Вважаючи, що n = Р/кТ, де Р – тиск газу, Па; к – постійна Больцмана (к = 1,38·10^-23); Т – температура газу, яка в нашому випадку становить Т ≈ 573…873 К, можна перетворити вираз (1) до вигляду:

. (3)

Розрахунки, виконані згідно з (3) для аргону, показали, що довжина вільного пробігу електронів при тиску газу 26…53 Па становить lе = 0,004...0,002 м. Тобто, під час збільшення діаметра катода від 0,02 м до 0,05 м кількість зіткнень електронів зростає в 3...4 рази, що безумовно повинно відбитися на їх кінцевій швидкості і, відповідно, енергії зіткнення з поверхнею деталі.

Для проведення подальших досліджень були використані циліндричні порожнисті катоди діаметром 0,04 м заввишки 0,025 м, розташовані, як показано на схемі (рис. 4).

 

Рис. 4. Схема нагріву тліючим розрядом з порожнистим катодом довжиною 0,025 м:
А – анод; К – катод; Д – деталь

Отримані результати покузують, що використання катода висотою 0,025 м, встановленого поблизу верхнього торця деталі, забезпечує ефективний ККД на рівні h₀ = 0,29, що на 3 % вище ніж його розташування по центру деталі (h₀ = 0,26). Це обумовлено тим, що в наших експериментах термопара розміщувалася саме в верхньому торці деталі, що неминуче призводило до зростання швидкості (скорочення часу) нагріву.

Використання катодів довжиною менше 0,02 м не є доцільним, оскільки емітовані з поверхні катода електрони не затримуватимуться всередині порожнини і відразу вирушають на анод. Ефект порожнистого катода буде слабшати і, відповідно, ефективність джерела нагріву падатиме.

Використання катодів великої довжини (в яких L>>D) також не рекомендується, оскільки при чималій довжині катодної трубки всі нерекомбіновані іони впадуть на бічну поверхню катода, розташовану поблизу до вхідного отвору. У зв'язку з цим емісія електронів, що беруть участь у нагріві деталей, виникатиме лише на вказаній поверхні. Це призведе до зниження величини ефективного ККД нагріву.

Також у роботі проводилися дослідження з циліндричним порожнистим катодом, виконаним із сталевої сітки діаметром 0,02 м, заввишки 0,04 м і розміром вічка 0,25 мм. Зовнішня поверхня сітки впритул прилягала до керамічної ізоляційної трубки, що перешкоджало осциляції заряджених часток в отвори сітки. Експеримент проводили на тій же деталі. Струм розряду підтримувався на рівні 0, 075 А.

Отримані результати показали, що ефективність нагріву з використанням сітчастого катода на 4...6 % нижче, ніж при нагріві в суцільному порожнистому катоді. Так величина ефективного ККД нагріву з використанням такого катода коливається в межах
h0 = 0,29...0,33. Це може бути пов’язано із зменшенням площі емітуючої поверхні порожнистого катода, і, відповідно, кількості електронів, що беруть участь в процесі нагріву.

Висновки. Встановлено, що однією з причин зниження ефективності нагріву в тліючому розряді з порожнистим катодом, поряд із відтоком електронів у напрямку до аноду, є втрата енергії електронів за рахунок збільшення числа їх зіткнень з атомами й іонами газу під час збільшення відстані катод-деталь.

Встановлено вплив геометричних характеристик катодної порожнини на величину ефективного ККД нагріву в тліючому розряді з порожнистим катодом.

Список використаних джерел

1. Болотов Г. П. Дослідження стійкості тліючого розряду з порожнистим катодом в умовах зварювання. / Г. П. Болотов, М. Г. Болотов // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. – 2008. – № 36. – С. 100.

2. Болотов Г. П. Розрахункове визначення температури нагріву деталей при дифузійному зварюванні в тліючому розряді з порожнистим катодом. / Г. П. Болотов, М. Г. Болотов // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. –2009. – № 40. – С. 23-29.

3. Болотов Г. П. Порівняльна оцінка ефективності джерел енергії для дифузійного зварювання у вакуумі. / Г. П. Болотов, М. Г. Болотов // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. – 2010. – № 42. – С. 144-147.

4. Болотов М. Г. Ефективність нагріву при зварюванні в тліючому розряді з порожнистим катодом. / М. Г. Болотов, Т. Р. Ганєєв // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. –2012. – № 55. –С. 126-131.

5. Смирнов Б. М. Физика слабоионизированного газа / Б. М. Смирнов. – М.: Наука, 1978. – 416 с.

6. Каганов И. Л. Ионные приборы / И. Л. Каганов. – М.: Энергия, 1972. – 525 с.