空心陰極真空電弧焊電子束磁約束及加速特性研究.pdf

1、真空保護是一種理想的金屬熔化焊熔池保護方式，真空環(huán)境下的熔化焊接方法具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。相對于其他真空環(huán)境下熔化焊接方法，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(huán)境下熔化焊方法。盡管空心陰極真空電弧焊接方法有很多優(yōu)點，但是它存在著焊接熔化效率低和熔化深度淺的限制。針對這個問題，為了發(fā)揮真空保護熔池金屬的優(yōu)勢，本文通過電場增強空心陰極真空電弧的電子能量，利用磁場提高加速間隙的電氣絕緣強度，提出了一種磁約束空

2、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(yīng)、電子束加速特性和焊縫成形規(guī)律進行了深入研究。
　　基于空心陰極真空電弧放電和等離子體陰極電子發(fā)射原理，利用空心陰極真空電弧作為電子的粒子源，研制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(tǒng)，有效地提高了空心陰極真空電弧的電子能量。在小孔引出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，利用磁場控制帶電粒子運動軌跡，抑制碰撞等離子體自由膨脹，保證了電子束加速間隙電氣絕緣，因此磁約束空心陰極真空電弧能夠

3、施加高加速電壓而提高電子能量?；贗GBT逆變原理設(shè)計開發(fā)了空心陰極真空電弧放電電源和電子加速電源，實現(xiàn)了電弧放電和提高了電子能量。
　　空心陰極真空電弧高頻引弧研究結(jié)果表明，空心陰極真空電弧放電時電極材料存在老化現(xiàn)象，老化處理使空心陰極內(nèi)表面粗糙度變大，進而容易實現(xiàn)場致電子發(fā)射。在夾持空心陰極的夾持器良好絕緣的基礎(chǔ)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％，高頻引弧時間低于2s。

4、r>　　空心陰極真空電弧物理特性研究結(jié)果表明，隨著氣體流量降低，等離子體阻抗增加，電弧伏安特性曲線上移。與空心陰極真空電弧放電相比，磁場能夠抑制空心陰極真空電弧粒子自由膨脹，增加空心陰極真空電弧放電電壓，并且在低氣體流量時放電電壓增加更為明顯，磁場強度由10mT增加至110mT，放電電壓增加了161%。磁場能夠約束空心陰極真空電弧，增強電子碰撞幾率，進而提高了等離子體密度，相對于無磁場而言，當(dāng)磁場強度20mT時，氬離子譜線強度增加了4倍

5、。光譜輻射強度分布存在不均勻現(xiàn)象，空心陰極真空電弧中心區(qū)域的光譜輻射強度高于邊緣區(qū)域。磁場顯著地約束空心陰極真空電弧分布半徑，當(dāng)約束磁場強度大于20mT、電弧放電電流小于30A和氣體流量低于30sccm時，電弧分布半徑小于4.0mm。
　　采用PIC數(shù)值模擬方法對磁約束空心陰極真空電弧電子束磁約束及加速特性進行了數(shù)值模擬研究，加速電場通過引出電極孔滲透至等離子體內(nèi)部，加速電場的引入可以降低電子引出勢壘，實現(xiàn)空心陰極真空電弧電子發(fā)射

6、過程。磁場能夠壓縮電子束直徑。由于發(fā)射電子的等離子體面凹向電子束加速間隙，電子從等離子體內(nèi)部引出后首先匯聚運動，然后迅速擴散運動。
　　磁約束空心陰極真空電弧電子束加速特性表明，隨著加速電壓增加，引出電流表現(xiàn)為快速增加、緩慢增加及飽和的三階段變化趨勢。磁約束空心陰極真空電弧電子束加速特性具有恒定飽和特性，這有利于磁約束空心陰極真空電弧電子束焊接工藝的調(diào)控。磁約束空心陰極真空電弧電子束加速特性的實驗結(jié)果表明：隨著電弧放電電流和磁場強

7、度增加，引出電流逐漸增加。電弧放電電流從15A增大至25A時，引出電流增大了56%?？招年帢O真空電弧電子加速過程中，電子與氣體分子碰撞效應(yīng)導(dǎo)致碰撞等離子體密度增強，引出電流由等離子體發(fā)射電子和碰撞等離子體電子兩部分構(gòu)成。
　　采用磁約束空心陰極真空電弧電子束焊接方法實現(xiàn)了金屬材料的熔化焊接，相對于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，克服了常規(guī)空心陰極真空電弧焊熔深淺、熱效率低的不足。由于電子動能具有高能量利用率的