ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДУГОВОГО РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ, ИСПОЛЬЗУЕМОГО ДЛЯ ПАЙКИ В ВАКУУМЕ Неровный В.М.

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана


Номер: 5-1
Год: 2015
Страницы: 68-72
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

дуговой разряд с полым катодом в вакууме, пятно нагрева, радиальное распределение, плотность мощности, плотность тока, arc discharge with a hollow cathode in a vacuum, spot heating, radial distribution, power density, current density

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

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.

Текст научной статьи

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 l=1,0-4,0 см; подача плазмообразующего газа-аргона через полость катода G = 0,5-1,5 мг/с; давление в камере (2-5)∙10-2 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 dк = 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 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=Rс. Это позволило определять локальные параметры по всей площади зоны нагрева разряда с относительной погрешностью не превышающей 5 % и порогом чувствительности для q2 ≈ 10 Вт/см2, j ≈ 10 А/см2. 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) = fmax ехр (- k∙r2), где k - коэффициент сосредоточенности, r - радиус пятна нагрева. Расхождение экспериментальной кривой f(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 Rн, совпадают, вследствие малых потерь в столбе разряда (2-3%) от общей его мощности. Это позволяет во время подбора оптимального технологического режима определять коэффициент сосредоточенности k при регистрации j(r) ДРПК на аноде. При известных параметрах режима разряда можно рассчитать радиальное распределение q2(r), так как k равны для q2(r) и j(r). Результаты экспериментов показали, что в ДРПК диффузной форме эффективный КПД ηи находится в пределах ηи = 0,75-0,84. Более низким значениям ηи 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, dк = 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, k изменяются в широких пределах: q = 100-1200 Вт, q2m = 300-3200 Вт/см2; jm = 20-200 А/см2; k = 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 k в центре пятна нагрева ДРПК от длины дугового промежутка (G = 0,5 мг/с, dк = 0,3 см): I = 20 А, 1 - q2m, 2 - k; I = 50 А, 3 - q2m, 4 - k 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 до 1200 Вт, коэффициентом сосредоточенности от 0,2 до 12 см-2 и максимальным значением плотности мощности в центре пятна нагрева от 10 до 3200 Вт/см2.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.