空心阴极放电自诱导电子加速效应及深熔焊接研究

空心阴极电弧焊接是一种有效的焊接方法，特别是它能够实现太空焊接。但该技术涉及到真空装置并且优势不突出（焊缝较宽、电弧穿透能力弱），因而应用受限。可是就真空或太空焊接而言，空心焊接的价格优势明显。为获得空心阴极电弧高穿透能力，本项目提出了一种新思路：让空心阴极放电不再工作在"弧光"模式（低电压/大电流），而是工作在"异常辉光"模式（高电压/低电流）。等效作用：电弧电压大大提高，空心阴极中的电子得到加速而具有"电子束"效应，深熔成为可能。可见本项目提出了一种新的具有深熔效应的电子加速空心阴极焊接方法，而且成本低廉，适于工业应用。为此提出了自阳极（单或双）空心阴极新结构，屏蔽了金属蒸汽，保证了放电区的高电压和电子加速效应。本文研究内容包括外部电磁场控制下空心阴极的放电动力学、小阳极条件下的电子加速规律、加速电子空心阴极放电焊接电弧形态、焊缝熔透规律实验研究等等，最终期望得到一种原创的焊接新技术。

空心阴极真空电弧焊具有焊接成本低和工艺操作简单的特点，是一种重要的真空环境下熔化焊方法。尽管空心阴极真空电弧焊接方法有很多优点，但是它存在着熔化效率低和熔化深度浅的限制。通过电场增强电弧电子能量，利用磁场提高加速间隙的电气绝缘强度，本项目开发了一种磁约束空心阴极真空电弧电子束焊接方法，对电弧及电子束磁约束效应、电子束加速特性和焊缝成形规律进行了深入研究。. 利用空心阴极真空电弧作为电子的粒子源，研制了具有输出高电流密度的磁约束空心阴极真空电弧电子束系统，提高了空心阴极真空电弧电子能量(电压1000V)。在小孔引出系统结构下，利用磁场抑制碰撞等离子体自由膨胀，保证了加速间隙电气绝缘，因此磁约束空心阴极能够施加高加速电压而提高电子能量。基于IGBT逆变原理设计开发了电弧放电电源和电子加速电源，实现了电弧放电和提高了电子能量。. 空心阴极真空电弧放电时电极材料存在老化现象，老化处理使空心阴极内表面粗糙度变大，进而容易实现场致电子发射。在夹持空心阴极的夹持器良好绝缘的基础上，电极材料老化处理显著地提高空心阴极真空电弧高频引弧的成功率，高频引弧成功率达到97 %，高频引弧时间低于2 s。. 磁场能够增加空心阴极真空电弧放电电压，在低气体流量时放电电压增加更为明显，磁场强度由10 mT增加至110 mT，放电电压增加了161 %。磁场显著地约束空心阴极真空电弧分布半径，当约束磁场强度大于20 mT、电弧放电电流小于30 A和气体流量低于30 sccm时，电弧分布半径小于4.0 mm。. PIC数值模拟电子束加速特性表明，加速电场通过引出电极孔渗透至等离子体内部，加速电场的引入可以降低电子引出势垒，实现空心阴极真空电弧电子发射过程。电子束加速特性实验结果表明：随着电弧放电电流和磁场强度增加，引出电流逐渐增加。电弧放电电流从15 A增大至25 A时，引出电流增大了56 %。.本项目开发的新焊接方法实现了金属材料的熔化焊接，相对于空心阴极真空电弧焊接，这种焊接方法有效提高了电子能量，克服了空心阴极真空电弧焊熔深浅、热效率低的不足。. 与空心阴极真空电弧焊相比，磁约束空心阴极真空电弧电子束焊是一种深熔化和廉价的焊接方法，并且该焊接方法适合于太空焊接。本项目开发的这种新焊接方法不仅填补了空心阴极真空电弧焊与电子束焊之间工艺参数的空白，同时它具有更广阔的前景。