Влияние состояния поверхности электродов на устойчивость тлеющего разряда в условиях сварки
Определено влияние катодных процессов на устойчивость тлеющего разряда. Показано, что в условиях нагрева сильноточным тлеющим разрядом наличие на поверхности анода неоднородных диэлектрических пленок вследствие его загрязнения в процессе работы приводит к образованию на аноде локальных участков с по...
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2007
|
| Назва видання: | Автоматическая сварка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99419 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Влияние состояния поверхности электродов на устойчивость тлеющего разряда в условиях сварки / Г.П. Болотов // Автоматическая сварка. — 2007. — № 6 (650). — С. 46-48. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-99419 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-994192016-04-29T03:02:05Z Влияние состояния поверхности электродов на устойчивость тлеющего разряда в условиях сварки Болотов, Г.П. Производственный раздел Определено влияние катодных процессов на устойчивость тлеющего разряда. Показано, что в условиях нагрева сильноточным тлеющим разрядом наличие на поверхности анода неоднородных диэлектрических пленок вследствие его загрязнения в процессе работы приводит к образованию на аноде локальных участков с повышенной плотностью тока, наличие которых способствует переходу тлеющего разряда в дуговой. The influence of cathode processes on the glowing discharge stability is established. It is shown that under the conditions of heating by the high-current glowing discharge presence of non-uniform dielectric films on the anode surface because of its contamination during operation leads to formation of local sections with a higher current density on the anode, the presence of which promotes a transition of the glowing discharge into arc discharge. 2007 Article Влияние состояния поверхности электродов на устойчивость тлеющего разряда в условиях сварки / Г.П. Болотов // Автоматическая сварка. — 2007. — № 6 (650). — С. 46-48. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99419 621.791.01.4: 539.378.3 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Производственный раздел Производственный раздел |
| spellingShingle |
Производственный раздел Производственный раздел Болотов, Г.П. Влияние состояния поверхности электродов на устойчивость тлеющего разряда в условиях сварки Автоматическая сварка |
| description |
Определено влияние катодных процессов на устойчивость тлеющего разряда. Показано, что в условиях нагрева сильноточным тлеющим разрядом наличие на поверхности анода неоднородных диэлектрических пленок вследствие его загрязнения в процессе работы приводит к образованию на аноде локальных участков с повышенной плотностью тока, наличие которых способствует переходу тлеющего разряда в дуговой. |
| format |
Article |
| author |
Болотов, Г.П. |
| author_facet |
Болотов, Г.П. |
| author_sort |
Болотов, Г.П. |
| title |
Влияние состояния поверхности электродов на устойчивость тлеющего разряда в условиях сварки |
| title_short |
Влияние состояния поверхности электродов на устойчивость тлеющего разряда в условиях сварки |
| title_full |
Влияние состояния поверхности электродов на устойчивость тлеющего разряда в условиях сварки |
| title_fullStr |
Влияние состояния поверхности электродов на устойчивость тлеющего разряда в условиях сварки |
| title_full_unstemmed |
Влияние состояния поверхности электродов на устойчивость тлеющего разряда в условиях сварки |
| title_sort |
влияние состояния поверхности электродов на устойчивость тлеющего разряда в условиях сварки |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2007 |
| topic_facet |
Производственный раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99419 |
| citation_txt |
Влияние состояния поверхности электродов на устойчивость тлеющего разряда в условиях сварки / Г.П. Болотов // Автоматическая сварка. — 2007. — № 6 (650). — С. 46-48. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT bolotovgp vliâniesostoâniâpoverhnostiélektrodovnaustojčivostʹtleûŝegorazrâdavusloviâhsvarki |
| first_indexed |
2025-07-07T07:58:06Z |
| last_indexed |
2025-07-07T07:58:06Z |
| _version_ |
1836974171246034944 |
| fulltext |
УДК 621.791.01.4: 539.378.3
ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЭЛЕКТРОДОВ
НА УСТОЙЧИВОСТЬ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
В УСЛОВИЯХ СВАРКИ
Г. П. БОЛОТОВ, канд. техн. наук (Черниг. гос. технолог. ун-т)
Определено влияние катодных процессов на устойчивость тлеющего разряда. Показано, что в условиях нагрева
сильноточным тлеющим разрядом наличие на поверхности анода неоднородных диэлектрических пленок вследствие
его загрязнения в процессе работы приводит к образованию на аноде локальных участков с повышенной плотностью
тока, наличие которых способствует переходу тлеющего разряда в дуговой.
К л ю ч е в ы е с л о в а : электроды, низкотемпературная
плазма, тлеющий разряд, устойчивость, состояние по-
верхности
Низкотемпературная плазма тлеющего разряда
среднего (1…15 кПа) давления, горящего в ине-
ртных или активных газах, успешно используется
в качестве источника энергии в технологических
процессах, сопровождающихся существенным
длительным нагревом изделий — при химико-
термической обработке, диффузионной сварке и
пайке. Обрабатываемые или соединяемые детали
в этих процессах являются одним из электродов
разряда — катодом. Через катодное пятно на их
поверхности осуществляется нагрев.
В то же время тлеющий разряд не отличается
достаточной устойчивостью и при определенных
условиях переходит в электрическую дугу. В
возникающих при этом локальных пятнах нагрева
возрастает концентрация энергии, что приводит
к прожогам и оплавлению отдельных участков
соединяемых деталей с образованием неиспра-
вимых дефектов. Для электрических разрядов в
газах особо важными являются процессы, проис-
ходящие на катоде и в прикатодной области.
В настоящее время в многочисленных исследо-
ваниях [1–3], касающихся проблемы устойчивости
тлеющего разряда, рассматривается в основном
влияние катодных процессов на форму разряда. Ус-
тановлено, что вероятность перехода тлеющего раз-
ряда в электрическую дугу определяется харак-
теристиками поверхностного слоя материала катода
(химическим составом, микрорельефом, наличием
оксидных пленок и загрязнений, обеспечивающих
существование точек повышенной эмиссии элек-
тронов), а также формированием на катоде щелей
и зазоров определенного размера, где возможно
появление эффекта полого катода со значитель-
ным локальным возрастанием плотности тока.
Обработка деталей по 3–5-му классу чистоты, про-
мывка их в растворителях, устранение из зоны
нагрева щелей и зазоров размером 0,01…1,00 мм
являются достаточными мерами для того, чтобы
избежать перехода тлеющего разряда в дуговой.
В [4] показано, что при геометрии электродов,
используемых при сварке в тлеющем разряде (сталь-
ной проволочный контур–анод и относительно
массивные детали–катод), плотность тока в приа-
нодной области в 5…8 раз больше, чем на катоде,
что делает эту область весьма чувствительной к ло-
кальным флуктуациям плотности тока и может
влиять на устойчивость разряда даже при отсутст-
вии неблагоприятных факторов на катоде.
Замечено, что в процессе работы вначале сла-
бое равномерное анодное свечение постепенно
изменяет свое состояние. На аноде появляются
отдельные светящиеся пятна, расположенные про-
извольно (рис. 1, вверху, а), из которых с течением
времени начинают формироваться каналы повы-
шенной проводимости (рис. 1, вверху, б). Уве-
личение тока разряда приводит к развитию в этих
каналах электрической дуги (рис. 1, вверху, в).
Это вызвано тем, что в процессе работы состояние
поверхности анода существенно изменяется
вследствие осаждения на ней полимеризо-
вавшихся в разряде паров масел, попадающих в
камеру из вакуумных насосов и трубопроводов,
окисления поверхности анода из-за наличия в
газах примесей кислорода, осаждения на аноде
частиц материала катода, распыленных ионной
бомбардировкой. Все это приводит к появлению
на поверхности анода неконтролируемых пленок,
имеющих более высокое, чем материал анода,
сопротивление и способствующих замыканию
тока тлеющего разряда на аноде.
Исследование характера проводимости тока на
поверхности анода (рис. 2, а) выполняли с по-
мощью метода вращающегося зонда с записью
результатов на светолучевом осциллографе. Анод
выполнен из отрезка прутка из стали Ст3 диамет-
ром 0,005 м и длиной 0,05 м. Для имитации сос-
тояния поверхности анода, возникающего в
© Г. П. Болотов, 2007
46 6/2007
процессе его работы, анод подвергали окислению
на воздухе при температуре 873…973 К в течение
10 мин до образования заметного слоя оксидов.
После этого поверхность анода в двух местах
зачищали до металлического блеска. Траектория
движения рабочего конца зонда располагалась на
расстоянии 1,0…1,5 мм от поверхности анода. Из
полученных осциллограмм (рис. 2, б) видно, что
значительная доля тока разряда поступает на анод
именно через участки, свободные от поверхност-
ных загрязнений. Это приводит к повышению ло-
кальной плотности тока на аноде и соответственно
в примыкающих к нему областях положительного
столба разряда.
При увеличении мощности разряда на осцил-
лограммах разрядного тока появляются высоко-
частотные колебания, наблюдающиеся в момент,
следующий за переходом кривой тока через амп-
литудное значение (см. рис. 1, внизу, а). Изме-
рение частоты следования этих импульсов,
произведенное с помощью анализатора спектра
частот типа С4-25, позволило установить ее ха-
рактерные значения — 1⋅105…1⋅106 Гц. Спустя не-
которое время после появления высокочастотных
пульсаций тока начинают появляться низкочас-
тотные колебания с частотой питающей разряд
сети, амплитуда которых может возрастать вплоть
до перехода тлеющего разряда в дуговой (см.
рис. 1, внизу, в). Этот процесс может быть вызван
тем, что увеличение тока приводит к росту его
плотности в точках повышенной проводимости
на поверхности анода с их возможным нагревом
вплоть до температуры плавления и испарения
металла. Пары металла, появляющиеся в меж-
электродном промежутке, понижают эффектив-
ный потенциал ионизации газовой среды, что может
способствовать повышению проводимости этого
промежутка с увеличением в нем тока. Объяснение
этого явления дано в работе [5], где установлено,
что интенсивное испарение металла с поверхности
катода способно привести к формированию в меж-
электродном промежутке тлеющего разряда ка-
нала электрической дуги.
Исследование процесса электронно-лучевой
обработки (ЭЛО) металлов [6] показало, что испа-
рение металла с поверхности деталей под действием
потока ускоренных электронов происходит непос-
тоянно, а периодически, т. е. процесс состоит из
последовательности элементарных циклов нагрев–
вскипание–рассеяние (испарение), частота следо-
вания которых в условиях ЭЛО составляет
1⋅103…1⋅106 Гц.
Для того чтобы установить, вызваны ли воз-
никающие высокочастотные колебания тока в тле-
ющем разряде испарением металла анода, необ-
ходимо определить вероятную температуру нагрева
и характерное время энергонакопления, приводящее
Рис. 1. Характер изменения внешнего вида анодного свечения в процессе работы анода тлеющего разряда (вверху) и
осциллограммы разрядного тока (внизу): а–в — см. в тексте
Рис. 2. Схема измерения плотности тока (а) и осциллограммы
ее распределения (б) на поверхности анода тлеющего разряда
6/2007 47
к перегреву и испарению металла с поверхности
анода на участках повышенной плотности тока.
Полагая упрощенно образующуюся на повер-
хности анода электрическую дугу точечным
источником теплоты на поверхности полубеско-
нечного тела, предельную температуру в зоне на-
грева можно определить, согласно [7], как
T = T0 + q
2πλr
,
(1)
где Т0 — исходная температура анода (в условиях
тлеющего разряда достигает 873…1073 К); q —
мощность источника (дуги); λ — коэффициент
теплопроводности материала анода; r — радиус
пятна нагрева, ориентировочно определяемый по
следам эрозии (оплавлений) на поверхности
анода.
Измерение поперечных следов дуги показало,
что они составляют не более 0,001…0,002 м. С
учетом этого для тока разряда 10 А и анодного
падения потенциала 15 В (для азота, аргона и во-
дорода его значение составляет 14…16 В), сог-
ласно (1) температура в пятне нагрева может
достигать 3500…4000 К, что превышает темпера-
туру начала заметного испарения стального анода
(примерно 3000 К).
Время энергонакопления зависит от плотности
теплового потока и физических свойств металла.
Поскольку бомбардировка анода в условиях тле-
ющего разряда осуществляется, как и при ЭЛО
электронами, ускоренными в области анодного
падения потенциала, то время цикла нагрев–испа-
рение металла можно оценить с помощью зави-
симостей, используемых в теории ЭЛО [6, 8]. В
этом случае время энергонакопления составляет
τ = M
2 ⁄ 3(4ρ)–2 ⁄ 3
4a [c], (2)
где M — масса металла, охваченного вскипанием,
г; ρ — плотность металла, г/см3; а — темпера-
туропроводность металла, см2/с.
Масса вещества, охваченного энерговыделени-
ем, связана с параметрами электронного потока
(с использованием формулы Шенланда [9]), сле-
дующим соотношением [8]:
M = 1,65⋅10–12d2U2 [г], (3)
где d — характерный размер зоны испарения
(зоны действия дуги), см; U — потенциал уско-
рения электронов, В.
Для указанных ранее значений d и U, а также
соответствующих теплофизических характерис-
тик анода согласно зависимостям (2) и (3) ха-
рактерное время энергонакопления составляет τ =
= 2⋅10–8…10–7 с, отсюда возможная частота пуль-
саций процесса парообразования
f = 1⋅107…0,5⋅108 Гц,
что весьма близко к частоте колебаний тока, на-
блюдаемой при экспериментах и, по-видимому,
может служить подтверждением предложенной
гипотезы.
Выводы
1. Во избежание появления очагов заметного испа-
рения анода его целесообразно выполнять из ту-
гоплавких металлов (молибдена, вольфрама).
2. Поскольку образующиеся колебания тока
разряда попадают в радиочастотный диапазон, то
они могут быть легко обнаружены с помощью
любого радиовещательного приемника со сред-
неволновым диапазоном и служить сигналом для
своевременного изменения режима.
3. Появляющаяся нестабильность разрядного
тока связана не с наличием на поверхности анода
диэлектрических пленок, а с неоднородностью их
толщины и состава, что требует периодической
замены или очистки анода.
1. Леб Л. Основные процессы электрических разрядов в
газах. — М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1950. — 386 с.
2. Гайсин Ф. М., Саттаров Р. К., Халиков Р. А. Исследо-
вание перехода тлеющего разряда в электрическую
дугу при высоких температурах. — Казань: КАИ,
1975. — 12 с.
3. Голубев В. С. Тлеющий разряд повышенного давления.
— М.: Наука, 1990. — 333 с.
4. Болотов Г. П., Сатюков А. И. Расчетная оценка границы
устойчивости тлеющего разряда при диффузионной
сварке // Автомат. сварка. — 1998. — № 4. — С. 13–15.
5. Plesse H. The effect of temperature on the electrode a glow
discharge at low pressure // Ann. d. Phys. — 1935. — № 22.
— P. 423.
6. Рыкалин Н. Н., Зуев И. В., Углов А. А. Основы электрон-
но-лучевой обработки материалов. — М.: Машиностро-
ение, 1978. — 238 с.
7. Рыкалин Н. Н. Расчет тепловых процессов при сварке. —
М.: Машгиз, 1951. — 296 с.
8. Николаев Г. А., Ольшанский Н. А. Новые методы сварки
металлов и пластмасс. — М.: Машиностроение, 1966. —
278 с.
9. Назаренко О. К. Электронно-лучевая сварка. — М.:
Машиностроение, 1981. — 146 с.
The influence of cathode processes on the glowing discharge stability is established. It is shown that under the conditions
of heating by the high-current glowing discharge presence of non-uniform dielectric films on the anode surface because of
its contamination during operation leads to formation of local sections with a higher current density on the anode, the
presence of which promotes a transition of the glowing discharge into arc discharge.
Поступила в редакцию 17.06.2007
48 6/2007
|