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 dk. Зростання напруженості поля на ділянці dk 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; dk – область темного катодного простору; Lк-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.
Sб – 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 Dk і величини проміжку катод – деталь Lк-д (рис. 3, д)) ефективність нагріву найбільш помітно залежить від протяжності проміжку катод – деталь Lк-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; Ui – 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 Lк-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 Lк-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 lк-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 lк-д = 0,006 м максимальна величина зсуву траєкторії електронів у бік анода не перевищує 0,02...0,04 м, то для lк-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.