《空心陰極放電自誘導電子加速效應及深熔焊接研究》是依託哈爾濱工業大學，由田修波擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：空心陰極放電自誘導電子加速效應及深熔焊接研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：田修波
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
空心陰極電弧焊接是一種有效的焊接方法，特別是它能夠實現太空焊接。但該技術涉及到真空裝置並且優勢不突出（焊縫較寬、電弧穿透能力弱），因而套用受限。可是就真空或太空焊接而言，空心焊接的價格優勢明顯。為獲得空心陰極電弧高穿透能力，本項目提出了一種新思路：讓空心陰極放電不再工作在弧光模式（低電壓/大電流），而是工作在異常輝光模式（高電壓/低電流）。等效作用：電弧電壓大大提高，空心陰極中的電子得到加速而具有電子束效應，深熔成為可能。可見本項目提出了一種新的具有深熔效應的電子加速空心陰極焊接方法，而且成本低廉，適於工業套用。為此提出了自陽極（單或雙）空心陰極新結構，禁止了金屬蒸汽，保證了放電區的高電壓和電子加速效應。本文研究內容包括外部電磁場控制下空心陰極的放電動力學、小陽極條件下的電子加速規律、加速電子空心陰極放電焊接電弧形態、焊縫熔透規律實驗研究等等，最終期望得到一種原創的焊接新技術。
結題摘要
空心陰極真空電弧焊具有焊接成本低和工藝操作簡單的特點，是一種重要的真空環境下熔化焊方法。儘管空心陰極真空電弧焊接方法有很多優點，但是它存在著熔化效率低和熔化深度淺的限制。通過電場增強電弧電子能量，利用磁場提高加速間隙的電氣絕緣強度，本項目開發了一種磁約束空心陰極真空電弧電子束焊接方法，對電弧及電子束磁約束效應、電子束加速特性和焊縫成形規律進行了深入研究。 利用空心陰極真空電弧作為電子的粒子源，研製了具有輸出高電流密度的磁約束空心陰極真空電弧電子束系統，提高了空心陰極真空電弧電子能量(電壓1000V)。在小孔引出系統結構下，利用磁場抑制碰撞電漿自由膨脹，保證了加速間隙電氣絕緣，因此磁約束空心陰極能夠施加高加速電壓而提高電子能量。基於IGBT逆變原理設計開發了電弧放電電源和電子加速電源，實現了電弧放電和提高了電子能量。 空心陰極真空電弧放電時電極材料存在老化現象，老化處理使空心陰極內表面粗糙度變大，進而容易實現場致電子發射。在夾持空心陰極的夾持器良好絕緣的基礎上，電極材料老化處理顯著地提高空心陰極真空電弧高頻引弧的成功率，高頻引弧成功率達到97 %，高頻引弧時間低於2 s。 磁場能夠增加空心陰極真空電弧放電電壓，在低氣體流量時放電電壓增加更為明顯，磁場強度由10 mT增加至110 mT，放電電壓增加了161 %。磁場顯著地約束空心陰極真空電弧分布半徑，當約束磁場強度大於20 mT、電弧放電電流小於30 A和氣體流量低於30 sccm時，電弧分布半徑小於4.0 mm。 PIC數值模擬電子束加速特性表明，加速電場通過引出電極孔滲透至電漿內部，加速電場的引入可以降低電子引出勢壘，實現空心陰極真空電弧電子發射過程。電子束加速特性實驗結果表明：隨著電弧放電電流和磁場強度增加，引出電流逐漸增加。電弧放電電流從15 A增大至25 A時，引出電流增大了56 %。 本項目開發的新焊接方法實現了金屬材料的熔化焊接，相對於空心陰極真空電弧焊接，這種焊接方法有效提高了電子能量，克服了空心陰極真空電弧焊熔深淺、熱效率低的不足。 與空心陰極真空電弧焊相比，磁約束空心陰極真空電弧電子束焊是一種深熔化和廉價的焊接方法，並且該焊接方法適合於太空焊接。本項目開發的這種新焊接方法不僅填補了空心陰極真空電弧焊與電子束焊之間工藝參數的空白，同時它具有更廣闊的前景。
