автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.05, диссертация на тему:Разработка процесса и технологии сварки в вакууме с учетом особенностей разряда с полым катодом

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Необходимость и целесообразность применения вакуума в качестве защитной среды

1.2. РГДК для целей сварки в вакууме.

1.2.1. Физичебкие особенности РГПК

1.2.2. Технологические свойства РГПК

1.3. Пути дальнейшего развития способа сварки РГПК.

Цель и задачи работы.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ РГПК.

2.1. Установка для исследования РГПК.

2.2. Исследование статических вольтамперных характеристик (СВАХ) РГПК.

2.3. Исследование границ диапазона устойчивых режимов

2.4. Исследование характера распределения плотности тока на аноде

2.5. Совершенствование эксплуатационных свойств сварочных полых катодов.

2.5.1. Типы и параметры термоэлектронных катодов.

2.5.2. Условия работы и требования к материалу сварочного полого катода

2.5.3. Пропитанные и прессованные термоэлектронные вольфрамобариевые катоды.

2.5.4. Исследование электрических и энергетических характеристик разряда с горячим полым пропитанным катодом.

2.6. Исследование особенностей проплавления при сварке РГПК.

2.6.1. Исследование характера влияния величин параметров режима сварки РГПК на геометрические характеристики зоны проплавления.

2.6.2. Исследование влияния параметров режима сварки РГПК на величину оптимальной длины межэлектродного промежутка

Сварка плавлением является основным способом получения сварных соединений в современном производстве. Основной проблемой при сварке плавлением является надежная защита сварочной ванны от вредного влияния атмосферных газов.Сочетание вакуумной защиты, являщейся наиболее совершенной из всех видов сварочных защитных сред, с новым источником нагрева-разрядом с горячим полым катодом (РГПК) привело в начале 70-х годов к разработке нового способа сварки РГПК. За прошедшее десятилетие в изучении этого процесса и его практическом применении для сварки, наплавки и пайки достигнуты значительные успехи, Данная работа, выполненная при научной консультации доцента, канд.техн.наук Будника В.Н,, является продолжением и развитием работ, проводимых на кафедре "Оборудование и технология сварочного производства" РИСЖ по изучению и практическому пршленению процесса сварки РГПК в производстве и посвящена проблеме повышения производительности способа, разработке элементов технологии и оборудования.В работе рассмотрены вопросы необходимости и целесообразности применения вакуумной защиты при сварке; проанализированы пути повышения проплавляющей способности РГПК; выявлены физические особенности разряда, определяющие его проплавляющее действие и установлены границы устойчивых режимов РГПК; разработаны мероприятия по совершенствованию эмиссионных свойств полых катодов; исследованы закономерности проплавления при сварке РГПК, используя которые удалось разработать мвтоди1су расчета параметров режима сварки РГПК; разработаны основные принципы проектирования сварочного оборудования; показаны технологические возможности РГПК, как источника нагрева при проведении сварочньк процессов в вакуГ) уме и экономическая целесообразность применения сварки РГПК. Актуальность работы определяется необходимостью расширения диапазона промышленного применения сварки РГЖ в вакууме, Научная новизна заключается в новом подходе к объяснению особенностей разряда с полым катодом на основе представлений о двойном электрическом слое (ДЭС), установле1Щ за1Ю1ющрнос_тей. влияния ДЭС на_дсновные-_характеристики ра зряда-применительно-к сварке в ва^уме и определении электрических и энергетических ^ характеристик разряда с полыми пропитанными вольфрамобариевыми катодами.Практическая ценность результатов работы состоит в разработке методики определения параметров режима, технологии и оборудования для сварки РГПК, позволяющих расширить область применения способа в производстве.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОШ

1. Определены пути повышения производительности при сварке РГПК, которые заключаются в повышении концентрации нагрева, достигаемой уменьшением диаметра полости катода, увеличением эффективного КЦП, нагрева разряда за счет снижения работы выхода материала полого катода, а также использования специфических особенностей РГПК, проявляющихся в экстремальном характере зависимости глубины проплавления от длины межэлектродного промежутка.

2. Выдвинута рабочая гипотеза о наличии двойного электрического слоя в районе выхода плазмы из полости катода. Установлено, что ДЭС определяет основные физические и технологические особенности РГПК как теплового источника при сварке. Наличие ДЭС подj тверждается экспериментальными данными ' как полученными лично

I г автором, так и установленными в работах других исследователей: двухгрупповым характером распределения электронов по энергиям в столбе разряда, ограничением тока РГПК колебаниями на возрастающей ветви СВАХ и явлением самофокусировки.

3. Явление ограничения тока на возрастающей ветви СВАХ связано с достижением критического режима ДЭС, при котором происходит периодический распад и восстановление двойного слоя, сопровождаемые колебаниями тока и напряжения разряда. Установлено, что диаметр полости катода и расход плазмообразующего газа являются основными факторами регулирования ширины диапазона устойчивых режимов РГПК. На основе экспериментальных исследований получено количественное соотношение, связывающее величину критического тока разряда с диаметром полости катода и расходом плазмообразующего газа.

4. При определенной длине межэлектродного промежутка, зависящей от набора параметров режима РГПК, установлено наличие сатрации энергии в пятне нагрева, что проявляется при сварке в повышении глубины проплавления. Самофокусировка обусловлена ускоряющим и фокусирующим действием ДЭС на электронную компоненту разряда. Получена количественная взаимосвязь между длиной межэлектродного промежутка, которой соответствует максимальная глубина проплавления, сварочным током и расходом плазмообразующего газа. Увеличение глубины проплавления за счет выбора рациональной величины межэлектродного промежутка составляет 20.25$ по сравнению с глубиной проплавления на минимально технологически возможной длине разрядного промежутка. тоды за счет увеличения эффективного КЩ нагрева РГПК на 15. .20$ позволяют повысить глубину проплавления на 5.15$. Значительное снижение рабочей температуры таких катодов и возмож-у ность повторных пропиток позволяют увеличить срок их службы по сравнению с вольфрамовыми катодами.

6. Теоретическое рассмотрение энергетического баланса процесса сварки РГПК и экспериментальные исследования закономерностей проплавления позволили разработать рабочую модель процесса и получить математическое выражение, связывающее геометрические размеры зоны проплавления и параметры режима сварки. На основе полученного выражения разработана номограмма для определения параметров режима сварки РГПК, учитывающая теплофизические свойства свариваемого материала, тип полого катода, глубину проплавления, скорость сварки, условия обеспечения устойчивости разряда и условия самофокусировки.

7. Установлено, что причиной затрудненного возбувденшГразряда с катодами малого диаметра, преимущественно используемых г мофокусировки столба разряда, выражающейся в увеличении концен

5. Установлено, что пропитанные вольфрамобариевые при сварке, является малая глубина проникновения электрического поля внутрь катодной полости. Для повышения стабильности возбуждения РГПК в промышленных установках предложено увеличить напряжение на межэлектродном промежутке. Разработана конструкция, изготовлено и опробовано в работе устройство, позволяющее прикладывать к межэлектродному промежутку в момент возбуждения разность потенциалов 500.600В, что обеспечивает надежность возбуждения не менее 95$.

8. Разработаны, изготовлены и испытаны различные варианты конструкции катодных узлов для различных условий сварки, обеспечивающих надежность в работе, высокое и стабильное качество сварных соединений.

9. Проведен экономический анализ целесообразности применения и разработаны рекомендации по применению сварки РГПК в производстве.

10. Совместно с НИТИ разработана установка УСПК-901, пришей тая в качестве базовой для отрасли. Годовой экономический эффект от внедрения составляет 23780 рублей на одну установку.

ОБЩЕ ВЫБОЛИ ПО РАБОТЕ

I. Одной из особенностей РГПК является существование области устойчивых режимов по току, за пределами которой разряд неустойчив и непригоден для технологических целей. Наиболее рациональным параметром, с помощью которого можно регулировать ширину диапазона устойчивых режимов при сварке, является расход плазмообразующего газа. Для обеспечения устойчивости разряда необходимо соблюдать условие:

2. Для достижения максимальной глубины проплавления и производительности на заданном режиме сварки необходимо назначать длину межэлектродного промежутка из условия самофокусировки

3. При сварке РГПК целесообразно применять полые пропитанные вольфрамобариевые катоды,которые,наряду с повышенной стойкостью, позволяют увеличить глубину проплавления,по сравнению с вольфрамовыми катодами на 5.15%.

4. Применение достигнутых в работе результатов по повышению концентрации нагрева при сварке РГПК позволяет получить суммарное увеличение глубины проплавления 25.40%.

5. Полученная на основе теоретического рассмотрения и экспериментальных исследований номограмма для определения параметров режима сварки РГПК является конечным результатом исследования физических и технологических свойств сварочного источника нагрева и позволяет назначать параметры режима процесса сварки по заданному материалу и требуемой глубине проплавления.

РГПК:

6. Стабильность возбуждения разряда является одним из важных факторов обеспечения производительности промышленного оборудования для сварки РГПК. Разработанное в настоящей работе устройство позволяет решить проблему возбуждения разряда с катодами малого диаметра, обеспечивая надежность не менее 0,95.

7. Применение сварки РГПК рентабельно в индивидуальном и мелкосерийном производстве на толщинах не более 10.12 мм. Годовой экономический эффект составляет 23780 рублей на одну установку.

1. А.с. 172608 СССР Способ создания сжатой дуги в вакууме/ А.Д. Дудко, С.П. Лакиза. - Опубл. в Б.И. 1965, № 13.

2. А.с. 246738 СССР Способ дуговой сварки / А.А. Антонов, С.Ф. Богданов, В.В. Дмитриев, В.М. Ямпольский. Опубл. в Б.И. 1969, J6 21.

3. А.с. 287510 СССР Способ дуговой сварки и наплавки в вакууме / Н.А. Ольшанский, А.В. Мордвинцева. Опубл.в Б.И.1970,35.

4. А.с. 325I3I СССР Способ дуговой сварки /Ю.В.Попов, В.М. Ямпольский, B.C. Магнитов, Ю.Л.Яровиский, А.В. Панин. Опубл. в Б.И. 1972, 16 3.

5. А.с. 629028 СССР Устройство для сварки неплавящимся электродом в вакууме /Н.М. Будник, Н.Г. Нестеренко, В.Н. Будник, Ю.Г. Ольховой, Е.А. Малышкин, А.П. Бедрик, B.C. Лубяной, М.В. Шашорин, А,И. Серов, А.В.Летнев, Ю.Ф.Ткач. Опубл.в Б.И.1978,39.

6. А.с. 694314 СССР Устройство для сварки неплавящимся электродом в вакууме / Н.М.Будник, Е.А. Малышкин, Ю.Г. Ольховой,В.Н. Будник, Н.Г. Нестеренко, B.C. Лубяной. Опубл.в Б.И. 1979,& 40.

7. Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. Теория сварочных процессов. Киев: Вища школа,1976. - 424 с.

8. Белан Н.В., Оранский А.И., Рашкован В.М. Исследование генератора низкотемпературной плазмы с полым катодом.- В кн.:

9. Материалы УП Всесоюзн.конф.по генераторам низкотемпературной плазмы. Алма-Ата, 1977. 167 с.

10. Блинов И.Г., Дороднов A.M., Минайчев В.Е. и др. Вакуумные сильноточные плазменные устройства и их применение в технологическом оборудовании микроэлектроники. 4.1. М., 1974, 24 с.

11. Блох Л.С. Практическая номография. М.: Высш.школа, 1971, 328 с.

12. Болотин B.C., Петров А.В., Кирющин А.Ф. Исследование некоторых технологических свойств вакуумной дуги с полым неплавя-щимся электродом. Сварочное производство,1974, $ 10, с.1-3.

13. Болотин B.C., Петров А.В. Исследование электрических характеристик дугового разряда с полым неплавящимся электродом. -Сварочное производство, 1976, № 7, с.1-4.

14. Броди Д., Дженкинс Р. /В сб.Эффективные термокатоды, вып.II, Госэнергоиздат, I960, с.330-332, с.359-370.

15. Будник В.Н., Вихров А.Л., Лубяной B.C. Дуговая наплавка стеллитов в вакууме с применением полого катода. В кн.: Электродуговая сварка и наплавка. Ростов-на-Дону, 1975, с.108-111.

16. Будник В.Н., Малышкин Е.А., Лубяной B.C. Электрические режимы работы дугового разряда с полым катодом в вакууме.-Сварочное производство, 1976, № 10, с.3-4.

17. Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов. М., Атомиздат, 1972. - 383 с.

18. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. 3-е изд., перераб.и доп. М., Энергия, 1968. 488 с.

19. ГОСТ 10157-79 Аргон газообразный.

20. Грановский В.Л. Электрический ток в газах. Установившийся ток, М., Наука, 1971. - 544 с.

21. Грановский В.Л., Суетин Т.А. Генерация электрических колебаний большой мощности с помощью разряда низкого давления. -ДАН СССР, 1945, с. 420-423.

22. Грановский В.А., Суетин Т.А. Генерация мощных электрических колебаний в разряде низкого давления.- Журн.техн.Физика,1946, № 17, с.1023-1031.

23. Грановский В.А., Суетин Т.А. Генерация мощных электрических колебаний в разряде низкого давления.-Журн.техн.Физики,1947, № 16, с.291-298.

24. Дружинин А.В. Предельные параметры эффективных бариевых термокатодов. В кн.: Тез.докл.УП Всесоюзн.конф.по эмиссионной электронике. Л., 1978, с.191.

25. Дружинин А.В., Мельников А.И., Некрасов В.И. Предельный ток эмиссии пропитанного алюминатного катода.-Радиотехника и электроника,1967, № 5, с.862.

26. Дороднов A.M. Промышленные установки: Учебн.пособие.--М., Ротапринт МВТУ им.Н.Э.Баумана,1976. 128 с.

27. Ерохин А.А., Букаров В.А., Ищенко Ю.С. Расчет основных параметров ванны при сварке пластин.-Сварочное производство, 1970, J6 12, с.1-3.

28. Карасик В.Р. Физика и техника сильных магнитных полей.1. М., Наука, 1964. 348 с.

29. Кацман Ю.А. Электронные лампы: Теория,' основы расчета и проектирования: Учебник для вузов. 3-е изд.перераб.и доп.-М., Высш.школа, 1979. - 301 с.

30. Кноль М., Эйхмейер И. Техническая электроника. Т. I.'Физические основы электроники. Вакуумная техника, пер.с нем.-М., Энергия, 1971. 472 с.

31. Коваленко B.C. Металлографические реактивы. Справочник.-3-е изд.перераб.и доп.-М., Металлургия, I98I.-I20 с.

32. Крейндель Ю.Е. Плазменные источники электронов.-М.,Атом-издат, 1977. 144 с,

33. Красовский А.И. Дуговая сварка низколегированных конструкционных сталей. М., НТО Машпром,1962. -84 с.

34. Кручинин A.M., Бояркин И.Н. Исследование "лучевой" формы самостоятельного разряда в вакууме.-В кн.: Электротермические установки: Тр.МЭИ, 1973, вып.159.

35. Кручинин A.M., Смелянский М.Я., Кононов С.В. Некоторые характеристики плазменных полых катодов электроннолучевых установок. Электротермия, 1969, № 83, с.83-85.

36. Лубяной B.C. Проплавляющая способность разряда с горячим полым катодом. В кн.: Пути повышения эффективности и качества сварочного производства. Ростов-на-Дону, 1979, с.54-57.

37. Лубяной B.C., Пенкевич Б.Е., Свириденко И.П. Особенности проплавления при сварке разрядом с горячим полым катодом в вакууме. В кн.: Повышение надежности и долговечности машин: Труды. Межвуз.темат.сб.Вып.166.Ростов н/Д,1982, с.69-72.

38. Луценко Е.И., Середа Н.Д., Концевой М.М. Двойные слои в прямом разряде. Журн.техн.физики,1975, 45, с.789-791.

39. Магнитов B.C., Ямпольский В.М., Попов Ю.В. и др. Распределение энергии в дуговом разряде с полым катодом и технологические особенности разряда. Известия вузов. Машиностроение, 1973, » 3,с.187-189.1. Г;

40. Мирдель Г. Электрофизикй. Пер.с нем. /Под ред.В.И. Ра-ховского.- М., 1972. 608 с.

41. Мовчан Б.А., Тихоновский А.Л., Курапов Ю.А. Электроннолучевая плавка и рафинирование металлов и сплавов. Киев,Hayко-ва думка, 1973. - 240 с.

42. Молоковский С.И., Сушков А.Д. Интенсивные электройные и ионные пучки. -Л., Энергия, Ленинград, отд-ние, 1972.-272 с.

43. Неретина Н.А., Тимофеева Г.Г. Получение электронных потоков из плазмы дугового разряда в парах металла.-Изв.СО АН СССР. Серия техн.наук, 1966, вып.З, !& 10, с.1061.

44. Неровный В.М., Ямпольский В.Н. Распределение удельного теплового потока и плотности тока в пятне нагрева дугового разряда. -Известия вузов, Машиностроение, 1978, № 5, с.141-146.

45. Николаев А.В., Гаганов М.В., Самойленко М.В., Борисов А.П. Электрические и энергетические характеристики плазменной дуги низкого давления с полым катодом. Физ.и хим.обраб.матер.,1974,J6 2, с.26-31.

46. Николаев Г.А., Ольшанский Н.А. Новые методы сварки металлов и пластмасс.-М., Машиностроение, 1966. 178 с.

47. Патон Б.Е., Кубасов В.Н. Эксперимент по сварке металлов в вакууме. Автомат.сварка,1970, № 5, с.7-12.

48. Петров Г.Л., Тумарев А.С. Теория сварочных процессов. 2-е изд. лерераб.-М., Высш.школа,1977.-392 с.

49. Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов / Под общ.ред.Н.Н. Рыкалина.-М.,Наука, 1973.- 242 с.

50. Плазменные ускорители /Под общ.редак.Л.А.Арцимовича.-М., Машиностроение, 1972. 312 с.

51. Расчеты экономической эффективности новой техники.Справочник/Под ред.К.М. Великанова.Л., Машиностроение, 1975.-432 с.

52. Риттнер Е., Ратледж В., Алерт Р./В сб.эффективные термокатоды, вып.II, Госэнергоиздат, I960, с.320.

53. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке.-М., Машгиз, I95I.-296 с.

54. Рыкалин Н.Н., Бекетов А.И. Расчет термического одшга око-лошовдой зоны по очертанию плоской сварочной ванны.-Сварочное производство, 1969, № 9, с. 22-25.

55. Рыкалин Н.Н., £^ев И.В., Углов А.А. Основы электроннолучевой обработки материалов. М., Машиностроение, 1978. -239с.

56. Свойства и применение металлов и сплавов для электровакуумных приборов. Справочное пособие /Под общ.ред.Р.А. Нилен-дера. -М., Энергия, 1973. 336 с.

57. Саттон Д., Щерман А. Основы технической магнитной газодинамики. Пер.с англ./Под ред.Е.И. Литовского.-М., Мир, 1968.- 492 с.

58. Сварка в машиностроении. T.l/Под ред.Н.А.Ольшанского.--М., Машиностроение, 1978. 504 с.

59. Сварка в машиностроении. Т.2./Под ред.А.И.Акулова.-М., Машиностроение, 1978. 462 с.

60. Сварка в машиностроении. Т.З./Под ред.В.А. Винокурова.-М., Машиностроение, 1979. 567 с.

61. Сварка в машиностроении. Т.4/Под ред.Ю.Н. Зорина,-М., Машиностроение, 1979. 512 с.

62. Сварка в CCCP.T.I.-M., Наука, 1981. 534 с.

63. Сварка в СССР. Т.2. -М., Наука, 1981. 494 с.

64. Сена Л.А., Таубе Н.С. "Контактные" явления в плазме.-- Журн.эксперим.и теоретич.физики, 1956, 1630, с.287-290.

65. Смирнов Б.М. Физика слабоионизированного газа.-М.,Наука, 1972. 416 с.

66. Таблицы физических величин. Справочник /Под ред.И.К.Кикоина.-М., Атомиздат, 1976. 1008 с.

67. Теоретические основы сварки. Учебное пособие /Под ред. В.В. Фролова.-М., Высш.школа, 1970. 592 с.

68. Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма/Под ред.Б.Я. Мойжеса и Г.Е. Пикуса.-М., Наука,1973.-480с.

69. Технология термоэмиссионных преобразователей. Справочник /Под ред.С.В. Рябикова.-М., Атомиздат, I974.-232 с.

70. Тимофеева Г.Г. Пинч-эффект и обрыв дуги в сужении.-Журн. техн.физ., 1957, Т.27, вып.II, с. 2669.

71. Тимофеева Г.Г. Особенности прохождения большого тока через сужение газоразрядного прибора низкого давления.-Электронная техника. Сер. 3: Газоразрядные приборы, 1970, вып.З, с.41.

72. Уайтмаус Д. Газоразрядные приборы. Пер.с англ./Под ред. Г.Н. Рохлина и М.Н. Фугенфирова.-М., Энергия,1977.-344 с.

73. Ульянин Е.А. Коррозионностойкие стали и сплавы. Справочник. М., Металлургия, 1980. - 208 с.

74. Фогельсон Т.Б., Бреусова Л.Н., Вагин Л.Н. Импульсные водородные тиратроны. М., Советское радио, 1974. - 132 с.

75. Хованский Г.С. Номография и ее возможности. М., Наука, 1977. - 128 с.

76. Царев Б.М. Расчет и конструирование электронных ламп. -- М.-Л., ГЭИ, 1961. 235 с.

77. Шиллер 3., Гайзиг Ч., Панцер 3. Электронно-лучевая технология: Пер. с нем. М., Энергия, 1980. - 528 с.

78. Defezou J.L,MinooH., Jiindade A.R. Etude desdecharges d cathode czeuse a feux de gas en regime (Tate-Rev.Ream.Phis., 1968, W? 13, s.401.

79. Ummens Hi,Jensen M.J.,Looses R. A new ttoneonlc cathode fa heavy loads.- Ph'Uips Technic Review, 1950, №11, $.341.

80. Luce J. S Ргос and unit Nat bteznat Conf.on PeasefuC Uses of Atomic Entfgy. Wot. Geneva, 195&.89. luce J. S. intense Gaseous Dlchatges. Ptoc. IX.f/. Conf. on PeasefuB Atomic Energy, Vb£ 31,1958, U.M Geneva, s.305.

81. MinooK/ftlndcide A.R. Low-ptessuге Ho££ov Cathode Aic Oichazye Bechavlot in a Magnetic FtMr Jnt Conf. on Phcno in Jon. Gases, 1968 7 Vienna, s. 97.

82. MinooH.7TtmdadeA.R. Compobtemerrt d'une dechatge d'otc a cathode czeuse a basse pfcesslon dans un champ magnetigue-J.CU Phis7

83. TonRs L. Theoty and phenomena of high curant denbliios in £ow pzessuw агс.- „Ttans. Kectroch. Soc." l93d,v.22,p.l6748Z.

84. Ttindade A.R. Etude de £a co£onrw positive Lntezieuie d'une dec}la-tge сГагс d cathode cmse degas-These 3 eme а/с0е,Оггеу, 1968.

85. WasseteaB Th. Die DoppeCschlchtspannung von NLdezdzuckyasent-iandunj- H. angew. Phis., I964,ft/?€,edj6, M4I.1Y1