СПОСОБ ОТКЛОНЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ КУМУЛЯТИВНОЙ СТРУИ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА И ОБРАЗОВАННОГО ЕЙ КАНАЛА НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ КАТОДА В ДУГОВОМ ИМПУЛЬСНОМ РАЗРЯДЕ ПРИ ВЗРЫВЕ ПРОВОЛОЧКИ МЕЖДУ ЭЛЕКТРОДАМИ ДЕЙСТВИЕМ ПОПЕРЕЧНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
METHOD OF MOLTEN METAL HEAT CUMULATIVE JET AND FORMED BY IT CHANNEL DEFLECTING ON CATHODE METAL SURFACE IN ARC PULSE DISCHARGE DURING WIRE EXPLOSION BETWEEN ELECTRODES BY EFFECT OF TRANSVERSE MAGNETIC FIELD

Область техники
Изобретение относится к области исследования физических свойств вещества, в частности к исследованию процессов в плазме и в газоразрядных приборах, между анодом и катодом которых при фиксированном расстоянии между ними подается напряжение. Заявляемое изобретение может найти применение при формировании направленной тепловой кумулятивной струи расплавленного металла и образованного ей канала на металлической поверхности катода в дуговом импульсном разряде при взрыве размещаемой между электродами проволочки. При этом изобретение обеспечивает управление процессом формирования тепловой кумулятивной струи посредством направленного действия поперечного магнитного поля, обеспечивающего создание сварного шва определенной формы и траектории.
Уровень техники
Из уровня техники известен способ искривлений траекторий заряженных частиц в вакууме в магнитном поле [В.Л. Грановский. Электрический ток в газе. М.: Наука, 1971, с. 19]. Сущность способа заключается в том, что магнитное поле искривляет траекторию пучка заряженных частиц в вакууме, а под действием силы Лоренца в электрическом и магнитном полях меняется ее форма.
Однако известный способ не позволяет изменять направление кумулятивной тепловой струи расплавленного металла в процессе ее формирования и, соответственно, траекторию образованного ей канала на поверхности катода.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения канала, образованного тепловой кумулятивной струей расплавленного металла, на металлической поверхности катода в импульсном дуговом разряде при взрыве металлической проволочки между электродами [Патент RU 2537383]. В соответствии с изобретением между электродами с фиксированным расстоянием между ними подается напряжение, возникающий ток плавит и испаряет тонкую проволочку, которая размещается между электродами, при этом расстояние между электродами выбирается таким, при котором разряд самопроизвольно без проволочки не зажигается, а между электродами создаются условия для лавинного пробоя разрядного промежутка, возникающего при наличии в воздухе паров испаряющейся проволочки. При этом проволочка располагается в отверстии внутри катодной поверхности и касается ее, а при подаче напряжения на разрядный промежуток из точки касания проволочки и катодной поверхности на катоде образуется канал, исходящий из точки касания в направлении от места соединения катода с отрицательным полюсом источника напряжения.
Однако данный способ не позволяет изменять направление формирования кумулятивной тепловой струи расплавленного металла и образованного ей канала на поверхности катода.
Раскрытие изобретения
Техническая задача, решаемая в предложенном изобретении, заключается в разработке способа, позволяющего отклонять тепловую кумулятивную струю расплавленного металла и образованного ей канала на поверхности металлического катода, а также менять траекторию канала и управлять ее формой в импульсном дуговом разряде при взрыве проволочки между электродами действием поперечного магнитного поля.
Технический результат изобретения заключается в возможности формирования сварных швов и каналов на металлических поверхностях заданной траектории.
Поставленная задача решается формированием направленной тепловой кумулятивной струи расплавленного металла и образованного ей канала на металлической поверхности катода в дуговом импульсном разряде при взрыве размещенной между электродами проволочки, включающий подачу на электроды напряжения, обеспечивающего лавинный пробой разрядного промежутка, возникающий при наличии в воздухе паров испаряющейся проволочки, с формированием тепловой кумулятивной струи расплавленного металла на металлической поверхности катода, направление движения которой задают посредством воздействия магнитного поля, приложенного перпендикулярно к направлению канала, причем электроды размещают на расстоянии друг от друга, исключающем самопроизвольное зажигание разряда без проволочки, а полная сила Лоренца позволяет менять траекторию канала и управлять ее формой путем изменения силы разрядного тока, величины и направления магнитного поля.
Суть заключается в следующем. Между анодом и катодом при фиксированном расстоянии между ними размещают тонкую металлическую проволочку из различных металлов, которая находится в контакте с упомянутыми электродами. При этом один из концов проволочки может быть размещен, например, в специально выполненном для него отверстии внутри катодной поверхности. При подаче напряжения на электроды возникающий ток плавит и испаряет тонкую проволочку. В результате происходит пробой разрядного промежутка в парах металла, из точки касания проволочки и катодной поверхности на катоде возникает тепловая кумулятивная струя расплавленного металла и образованный ею канал. При этом расстояние между электродами выбирается таким, при котором разряд без проволоки не возникает. Между электродами создаются условия для лавинного пробоя разрядного промежутка, возникающего при наличии в воздухе паров испаряющейся проволочки. Под действием магнитного поля, направленного перпендикулярно направлению канала, происходит изменение направления канала на катоде.
Физические процессы, лежащие в основе заявляемого способа, заключаются в следующем. При взрыве проволочки в малой области вокруг точки касания катода и проволочки происходит локальный нагрев металла и выход горячих электронов из нагретой области. Поскольку на анод уходят не все электроны, у поверхности катода возникает отрицательный объемный заряд и электрическое поле пространственного заряда с минимумом потенциала около точки касания проволочки и катода. В результате над поверхностью металла образуется направленный поток электронов, движущийся в электрическом поле пространственного заряда. Электропроводность вдоль канала больше, чем средняя электропроводность металла катода. Движение заряженных частиц вдоль канала происходит из-за возникновения объемного пространственного заряда электронов и действующей при этом электрической составляющей силы Лоренца. Скорость движения зарядов меняется при изменении силы разрядного тока. Внешнее магнитное поле, перпендикулярное скорости электронов, отклоняет поток электронов, не влияя при этом на тяжелые ионы, поступающие из межэлектродного промежутка, заполненного плазмой. Радиус закругления теплового канала определяется величиной ларморовского радиуса электронов.
Совместное действие на движущиеся заряды электрического и магнитного полей приводит к тому, что полная сила Лоренца позволяет менять траекторию канала и управлять ее формой путем изменения силы разрядного тока, величины и направления магнитного поля.
Данный способ дает возможность управлять направлением формирования теплового кумулятивного потока расплавленного металла и образованного им канала на металлической поверхности катода.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема реализации изобретения, на фиг. 2 представлены фотографии каналов, образованных тепловыми кумулятивными потоками расплавленного металла на пластинке-катоде.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - проволочка, 2 - катод, 3 - анод, 4 - отверстие в катоде для размещения проволочки, 5 - каналы на катоде, образованные тепловой кумулятивной струей расплавленного металла, 6 - переменное сопротивление, 7 - блок подачи напряжения на электроды, 8, 9 - направление вектора магнитной индукции.
Осуществление изобретения
Способ осуществляют следующим образом.
Между металлическими электродами при фиксированном расстоянии между ними подается напряжение. Возникающий ток плавит и испаряет тонкую проволочку, которая размещается между электродами, при этом расстояние между электродами выбирается таким, при котором газовый разряд без проволочки не зажигается, а между электродами создаются условия для лавинного пробоя разрядного промежутка, возникающего при наличии в воздухе паров испаряющейся проволочки. При этом один конец проволочки располагается в отверстии внутри катодной поверхности и касается ее. При подаче напряжения на электроды из точки касания проволочки и катодной поверхности на катоде возникает тепловая кумулятивная струя расплавленного металла и образованный ей канал. Действие магнитного поля, перпендикулярного направлению канала, приводит к изменению направления канала на катодной поверхности.
Схема осуществления способа показана на фиг. 1. Проволочка 1 натянута между катодом 2 и анодом 3 и контактирует с ними. При этом один конец проволочки контактирует с катодной поверхностью внутри отверстия 4 в катоде. Расстояние между электродами изменялось и составило 0,5-2 см. Для подачи напряжения на электроды используется выпрямительный агрегат «Дельфин» 7 с выпрямленным напряжением 220 В. Разрядный ток в максимуме меняется в области 10-50 А с помощью переменного сопротивления 6. Длительность разряда около 0,1 секунды. В качестве катода применялись различные металлы (Cu, Ni, Fe, Ti, латунь, нержавеющая сталь и другие). Брались проволочки разных металлов и сплавов (Cu, Ni, Fe, нихром, ковар и другие).
Диаметр проволочек менялся в интервале 0,02-0,1 мм, их длина изменялась от 15 до 30 мм.
При подаче напряжения на разрядный промежуток с проволочкой, натянутой между электродами, из точки касания проволочки и катодной поверхности на катоде под действием избыточных электронов с катода и ионов из плазмы образуется канал 5. Канал 5 исходит из области контакта катода и проволочки - отверстия в катоде 4 и направлен от места контакта (область пониженного потенциала, созданная избыточным объемным пространственным зарядом электронов с катода) в сторону более положительного потенциала.
В том случае, если катод помещается в магнитное поле, создаваемое полосовым магнитом, направленным перпендикулярно к плоскости катода (каналу), тепловой кумулятивный поток расплавленного металла и образованный им канал отклоняются на катодной поверхности от первоначального направления в ту или другую сторону в зависимости от направления вектора магнитной индукции. При этом полная сила Лоренца позволяет менять траекторию канала и управлять ее формой путем изменения силы разрядного тока, величины и направления магнитного поля.
На фиг. 2 представлены фотографии каналов, образованных тепловыми кумулятивными потоками расплавленного металла на пластинке-катоде из трансформаторного железа. На фотографиях траектории каналов 1 получены в отсутствие магнитного поля. Траектории 2 и 3 получены при магнитном поле величиной 5 Гс при противоположных направлениях вектора индукции магнитного поля. Направления вектора магнитной индукции обозначены цифрами 4 - к поверхности чертежа и 5 - от поверхности чертежа. Величина магнитного поля в опытах не превышала 10 Гс.
-2
-4
5
Пример. При осуществлении несамостоятельного (импульсного) разряда с расстоянием между электродами 15 мм использовалась медная проволочка диаметром 0,06 мм. В качестве катода брались пластины из трансформаторного железа длиной 50 мм. Максимальный разрядный ток в импульсе составил 45 А. Величина магнитного поля в опыте 2,5⋅10 Тл (1 Тл = 1⋅10 Гс). При скорости электронов 4⋅10 м/с ларморовский радиус электронов равен 0,01 м. Таким же оказывается и радиус закругления канала.
Таким образом, в предложенном способе впервые решена проблема управления направлением тепловой кумулятивной струи расплавленного металла и образованного ей канала на металлической поверхности катода в импульсном дуговом разряде при взрыве проволочки между электродами действием поперечного магнитного поля.
Способ прост в осуществлении и эффективен. Его можно применять в технике и в научных исследованиях, например в новых технологиях микроэлектроники. При шовной электросварке тонких металлических пластин способ позволяет получать сварные швы различных профилей. Возможно использование способа для получения каналов при создании микросхем.